Dòng điện trong chất điện phân

Mở đầuCũng như vật rắn, chất lỏng nói chung có thể là chất cách điện hoặc dẫn điện. Những chất lỏng nào có khả năng dẫn điện? Hiện tượng gì có thể xảy ra khi có dòng điện chạy qua các chất lỏng đó và ứng dụng của các hiện tượng đó là gì? Bài học này sẽ giúp trả lời các câu hỏi đó.Dòng điện trong chất điện phânDòng điện trong chất điện phânMục tiêu-        Trả lời được câu hỏi thế nào là chất điện phân? hiện tượng điện phân? Nêu được bản chất của các hạt tải điện trong chất điện phân và trình bày được nội dung của thuyết điện ly.-         Phát biểu và giải thích được cá định luật Faraday, từ đó nêu ra được cách đo điện tích nguyên tố e. Giải được các bài tập có vận dụng định luật này.-         Hiểu và giải thích được các ứng dụng của hiện tượng điện phân.-        Trả lời được câu hỏi thế nào là thế điện hóa cũng như giải thích được cơ chế xuất hiện của nó. -         Trên cơ sở các kiến thức về thế điện hóa, giải thích được nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của các nguồn điện hóa học.          NỘI DUNGDòng điện trong chất điện phân                       I)  Hiện tượng điện phân và chất điện phân:1)  Hiện tượng điện phân và chất điện phân:-               Hiện tượng điện phân là hiện tượng một hợp chất hóa học bị tách thành các hợp phần khi có dòng điện chạy qua.-               Hợp chất bị dòng điện làm tách thành các hợp phần gọi là chất điện phânĐể quan sát hiện tượng điện phân, ta bố trí thí nghiệm như hình 1. Lấy một bình điện phân với hai điện cực bằng đồng. Đổ nước cất vào trong đó và nối hai điện cực vào mạch điện như hình vẽ. Ta thấy hầu như không có dòng điện chạy qua, chứng tỏ nước cất chỉ có rất ít hạt tải điện.Cho thêm vào trong nước một lượng nhỏ H2SO4 (hoặc bazơ, ví dụ NaOH, hay muối, ví dụ: NaCl) ta thấy dòng điện tăng lên rất nhiều lần, nghĩa là môi trừơng bây giờ có rất nhiều hạt tải điện. Dòng điện trong chất điện phân         “              I)  Hiện tượng điện phân và chất điện phân:1)  Hiện tượng điện phân và chất điện phân:-               Hiện tượng điện phân là hiện tượng một hợp chất hóa học bị tách thành các hợp phần khi có dòng điện chạy qua.-               Hợp chất bị dòng điện làm tách thành các hợp phần gọi là chất điện phân Khi cho dòng điện chạy qua, ta thấy bề mặt của điện cực có những biến đổi hóa học rõ rệt. Chẳng hạn nếu cho chất thêm vào là H2SO4 thì ở catôt ta thấy có H2 bay ra, còn ở anôt thì bị ăn mòn. Cho dòng điện chạy trong thời gian đủ dài, thì dung dịch trong bình điện phân chuyển sang màu xanh đặc trưng của dung dịch CuSO4 và thấy đồng đọng ở catôt.Vì hai điện cực đều có biến đổi hóa học nên khi cho dòng điện chạy qua bình điện phân đã có iôn dương và iôn âm đi tới điện cực. Tại đây chúng sẽ trao đổi điện tích với điện cực để trở thành các chất trung hòa.Dòng điện trong chất điện phân                       I)  Hiện tượng điện phân và chất điện phân:1)  Hiện tượng điện phân và chất điện phân: Như vậy, dung dịch axit, bazơ hay muối là những chất điện phân. Trong số các hạt tải điện của chất điện phân có các iôn dương và iôn âm.Hiện tượng điện phân cũng quan sát được khi dòng điện chạy qua một số chất rắn, chất rắn đun nóng chảy và chất rắn tan trong các dung môi khác (không phải là nước).2)        Hiện tượng dương cực tan:Trong thí nghiệm của hình 1b, nếu chất điện phân là dung dịch CuSO4 và anôt là đồng (nói một cách tổng quát là anôt làm bằng kim loại mà chất điện phân là muối của chính kim loại đó), thì khi có dòng điện chạy qua anôt sẽ bị mòn dần, đồng đến bám vào catôt và nồng độ dung dịch CuSO4 không bị thay đổi. Đó là hiện tượng dương cực tan. Ta nói quá trình điện phân làm cho đồng nguyên chất được tải từ anôt sang catôt.Dòng điện trong chất điện phân                      II)            Thuyết điện ly - Bản chất dòng điện trong chất điện phân:1)  Thuyết điện ly:(thuyết về sự phân ly của các phân tử chất hòa tan trong dung dịch)Trong chất điện phân, các hợp chất hóa học như axit, bazơ và muối bị phân ly thành các iôn.·        Axit = (gốc axit)- + H+Ví dụ: H2SO4 = (SO4)2- + 2H+·        Bazơ = (OH)- + (kim loại)+Ví dụ: NaOH = (OH)- + Na+·        Muối = (gốc axit)- + (kim loại)+Ví dụ: NaCl = Cl- + Na+Dòng điện trong chất điện phân                      II)            Thuyết điện ly - Bản chất dòng điện trong chất điện phân:1)  Thuyết điện ly:(thuyết về sự phân ly của các phân tử chất hòa tan trong dung dịch)a)  Tinh thể iôn:Ví dụ xét phân tử NaCl. Nguyên tử Na có một electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng, còn nguyên tử Cl có 7 electron hóa trị, nghĩa là còn thiếu một electron nữa để lấp đầy lớp vỏ ngoài cùng     Khi tạo thành phân tử NaCl, nguyên tử Na dễ dàng nhường cho nguyên tử Cl electron hóa trị của mình. Lúc đó nguyên tử Na mất một electron, trở thành iôn natri mang điện dương, có lớp vỏ ngoài cùng được lấp đầy. Trong khi ấy, nguyên tử Cl nhận thêm một electron, trở thành iôn âm và lớp vỏ electron ngoài cùng cũng được lấp đầy. Hai iôn hút nhau nhờ tương tác Coulomb tạo nên phân tử NaCl.Ta có thể biểu diễn phân tử iôn dưới dạng lưỡng cực như hình 3. Những vật rắn có cấu tạo như vậy gọi là tinh thể iôn. Dòng điện trong chất điện phân         “             II)            Thuyết điện ly - Bản chất dòng điện trong chất điện phân:1)  Thuyết điện ly:(thuyết về sự phân ly của các phân tử chất hòa tan trong dung dịch)a)  Tinh thể iôn:b)  Quá trình phân lyBây giờ ta hòa tan NaCl vào nước cất. Các phân tử nước cũng là các phân tử lưỡng cực. Do đó trong điện trường xung quanh mỗi phân tử NaCl, chúng được sắp xếp như sau: đầu âm của lưỡng cực H2O hướng vào iôn Na+ của phân tử NaCl và hút iôn này, đồng thời đẩy iôn Cl- của  phân tử NaCl; đầu dương của phân tử H2O hướng vào iôn Cl- của phân tử NaCl và hút iôn ấy, đồng thời đẩy iôn Na+ của phân tử NaCl. Một cách gần đúng ta có thể xem rằng lực hút giữa các iôn Na+ và Cl- bị giảm đi theo định luật Coulomb  lần ( là hằng số điện môi của dung môi và trong trường hợp đang xét là nước) Nhưng do chuyển động nhiệt, các phân tử luôn luôn va chạm với nhau. Vì thế phân tử NaCl, khi va chạm với một phân tử nước hay va chạm với một phân tử NaCl khác thì có thể bị “đứt đôi” ra, tạo nên iôn Na+ và iôn Cl- riêng rẽ. Quá trình này gọi là quá trình phân ly của phân tử NaCl trong dung dịch điện phân Dòng điện trong chất điện phân         2)  Bản chất dòng điện trong chất điện phân:-         Khi không có điện trường ngoài đặt vào chất điện phân thì những iôn dương và iôn âm chuyển động nhiệt hỗn loạn không có phương ưu tiên nên không có dòng điện đi qua chất điện phân-         Khi chuyển động hỗn loạn, các iôn khác dấu có thể va chạm vào nhau và kết hợp lại thành phân tử trung hòa. Quá trình này gọi là sự tái hợp.-         Trong những điều kiện không thay đổi, trong dung dịch điện phân có sự cân bằng động giữa hai quá trình phân ly và tái hợp, nghĩa là số iôn được tạo nên do sự phân ly trong một đơn vị thời gian bằng số iôn tái hợp cũng trong cùng đơn vị thời gian đó.-         Khi có điện trường ngoài, ngoài chuyển động nhiệt, các iôn sẽ tham gia chuyển động có hướng dưới tác dụng của điện trường tạo nên dòng điện trong chất điện phân.  Vậy dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các iôn (dương và âm) dưới tác dụng của điện trường ngoài Dòng điện trong chất điện phân           III)        Định luật Faraday:Ta đã thấy rằng khi có điện trường ngoài đặt vào chất điện phân, thì các iôn chuyển dời về các điện cực. Đến điện cực, các iôn trao điện tích cho chúng và biến thành những phân tử trung hòa. Càng nhiều iôn đến điện cực thì chất bám vào cực càng nhiều. Năm 1834, Faraday đã nghiên cứu định lượng vấn đề này và phát biểu thành các định luật Faraday.1)  Phát biểu các định luật Faraday:a)  Định luật Faraday thứ nhất:Khối lượng M của chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ với điện Q đã đi qua chất điện phân M = kQ  (1)Hệ số k được gọi là đương lượng điện hóa, phụ thuộc vào bản chất của chất được giải phóng ra ở cực. Trong hệ đơn vị SI, k có đơn vị là kg/CDòng điện trong chất điện phân           III)        Định luật Faraday:1)  Phát biểu các định luật Faraday:b)  Định luật Faraday thứ hai:Đương lượng điện hóa của một chất tỉ lệ với đương lượng hóa học của nó. (2)trong đó: A : nguyên tử lượng của chấtn: hóa trị hóa học của chất : đương lượng hóa học của chấtHệ số c có cùng một trị số đối với tất cả các chất. Người ta thường ký hiệu  trong đó F cũng là một hằng số đối với mọi chất và gọi là số Faraday. Thí nghiệm đo được F=9,65.107 C/kmolTừ (1) và (2) ta suy ra:                               với I: cường độ dòng điện không đổi đi qua bình điện phân và t là thời gian dòng điện chạy qua bình.HAYDòng điện trong chất điện phân           III)        Định luật Faraday: :                                2)  Giải thích các định luật Faraday. Xác định điện tích của electron:Giả sử có N iôn chuyển động đến các điện cực. Gọi m là khối lượng của một iôn. Vậy khối lượng M của chất thoát ra ở điện cực:M = m.N (1)Điện tích của mỗi iôn: q = neĐiện tích của N iôn: Q=Nq=Nne => N=Q/ne (2)Thay (2) vào (1), ta có:  Do M  = kQ  nên suy ra Mặt khác: A=NA.m (NA :số Avogradro)=> Thay vào (3): Mà  => F=NA.e HAY(3)Trị số này của e hoàn toàn phù hợp với các trị số của e tìm được bằng các phương pháp khácDòng điện trong chất điện phân             IV)          Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:1)  Thế điện hóa:Thí nghiệm chứng tỏ: nếu một kim loại bất kỳ đặt tiếp xúc với chất điện phân thì trên kim loại và chất điện phân sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu, khi đó kim loại có một điện thế xác định đối với chất điện phân, điện thế này gọi là thế điện hóa.-  Phân tử nước có mômen lưỡng cực lớn đến bao quanh iôn Zn++ của kim loại và kéo chúng ra khỏi điện cực-   Ngược lại, do chuyển động nhiệt, các iôn Zn++ trong dung dịch có thể đến sát nhập vào điện cực.Dòng điện trong chất điện phânVí dụ: thanh Zn nhúng trong dung dịch ZnSO4             IV)          Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:1)  Thế điện hóa:Thí nghiệm chứng tỏ: nếu một kim loại bất kỳ đặt tiếp xúc với chất điện phân thì trên kim loại và chất điện phân sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu, khi đó kim loại có một điện thế xác định đối với chất điện phân, điện thế này gọi là thế điện hóa.Ví dụ: thanh Zn nhúng trong dung dịch ZnSO4Dòng điện trong chất điện phân-  Thực nghiệm cho thấy cực kẽm tích điện âm chứng tỏ dòng Zn++ từ cực ra dung dịch mạnh hơn dòng Zn++ từ dung dịch vào cực, (ta nói cực Zn nhả iôn Zn++ vào dung dịch). Lúc này giữa cực Zn và dung dịch điện phân có xuất hiện một thế hiệu và một điện trường tiếp xúc hướng từ dung dịch vào cực. Etx có tác dụng cản trở dòng Zn++ từ cực vào dung dịch và kích thích dòng Zn++ từ cực vào dung dịch.             IV)          Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:1)  Thế điện hóa:    -  Khi cân bằng động được thiết lập, giữa cực và dung dịch tồn tại một thế hiệu xác định, thế hiệu đó chính là thế điện hóa của cực Zn đối với dung dịch ZnSO4 -  Thế điện hóa phụ thuộc vào bản chất kim loại và vào nồng độ của dung dịch điện phân. Với nồng độ dung dịch như nhau, thế điện hóa chỉ phụ thuộc vào bản chất của kim loại và đặc trưng cho khả năng nhả iôn của nó vào dung dịch. Khi chọn dung dịch có nồng chuẩn (chứa 1kmol kim loại trong 1m3 dung dịch hay 1mol trong 1lít dung dịch) thì thế điện hóa của kim loại đối với dung dịch đó gọi là thế điện hóa chuẩn tuyệt đối V. Biết thế điện hóa chuẩn tuyệt đối của kim loại ta có thể tính được thế điện hóa của nó đối với một dung dịch có nồng độ tùy ý. -         Thế điện hóa của điện cực trong dung dịch muối của nó (có nồng độ chuẩn) đo được với điện cực H2, gọi là thế điện hóa chuẩn VchV – V' = Vchvới V' = 0,274 V : thế điện hóa chuẩn tuyệt đối của H2 đối với chất điện phân V= Vch +V' = Vch + 0,274VBảng sau cho biết Vch và V đối với một số điện cực: Kim loại Vch (vôn)V (vôn)ZnCuH2MnO2-0,77+0,340 -0,50+0,61+0,274+0,98Dòng điện trong chất điện phân                 2)  Các nguồn điện hóa học:a)  Pin:Khi ghép thành một mạch hai vật dẫn loại 1 (dùng làm điện cực) và dung dịch điện phân ta có một nguồn điện hóa học. Biết thế điện hóa của các kim loại dùng làm điện cực ta có thể tính được suất điện động của nguồn điện đóTa đã biết rằng nguyên nhân làm xuất hiện suất điện động trong nguồn điện hóa học là các lực lạ, có nguồn gốc phi tĩnh điện, tác dụng lên các hạt mang điện bên trong nguồn: các lực này có bản chất vật lý khác nhau trong các nguồn điện khác nhau. Trong pin chẳng hạn, việc xuất hiện suất điện động gắn liền với khả năng nhả iôn của kim loại vào dung dịch và khả năng này tùy thuộc vào tương tác phân tử giữa các iôn kim loại và các phân tử (và các iôn) của dung dịch. Như vậy trong trường hợp này lực lạ chính là lực tương tác phân tửIV) Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:Dòng điện trong chất điện phân                 ·    Cấu tạo: gồm một cực Zn nhúng trong dung dịch ZnSO4 và một cực Cu nhúng trong dung dịch CuSO4. Hai dung dịch được ngăn không cho trộn vào nhau nhờ một vách xốp·   Suất điện động: Giả sử nồng độ của 2 dung dịch là nồng độ chuẩn. Cu có thế điện hóa đối với CuSO4 là +0,61V, Zn có thế điện hóa đối với ZnSO4 là -0,50VSuất điện động của pin: e= VCu – VZn = 0,61 – (-0,50)=1,11V     Pin Daniell: IV)          Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:2)  Các nguồn điện hóa học:Dòng điện trong chất điện phân                 -2)  Các nguồn điện hóa học:·  Cơ chế làm việc của pin: Nối hai cực của pin bằng một sợi dây đồng-   Mạch ngoài: electron chạy từ cực Zn sang cực Cu, do đó:     Cực Zn kém âm đi, cân bằng động bị phá vỡ tạo điều kiện cho các iôn Zn++ mới từ cực Zn chạy vào dung dịch.       Cực Cu kém dương đi, cân bằng động bị phá vỡ, tạo điều kiện cho các iôn Cu++ từ dung dịch chạy vào cực CuDòng điện trong chất điện phân                 . 2)  Các nguồn điện hóa học:-         Mạch trong:o       Phía dung dịch ZnSO4 : ZnSO4   ->  Zn++ +  SO4- -SO4- - chạy về cực Zn kết hợp với Zn++ do cực Zn phóng ra để tái tạo lại ZnSO4:                                         Zn++ + SO4- - ->  ZnSO4 Zn++ chạy đến chỗ tiếp giáp giữa hai chất điện phâno       Phía dung dịch CuSO4 : CuSO4    ->  Cu++ +SO4- -SO4-- đi đến chỗ tiếp xúc giữa hai chất điện phân kết hợp với Zn++ tạo thêm ZnSO4 Cu++ đến bám vào cực Cu.vậy khi pin làm việc, nồng độ CuSO4 giảm dần, còn nồng độ ZnSO4 tăng dần và mặt khác cực Zn mòn dần còn cực Zn dày thêm. Điều này làm cho suất điện động của pin giảm đi và pin hết dầnDòng điện trong chất điện phân         ·        Cấu tạo: Gồm hai cực Zn và Cu nhúng trong dung dịch H2SO4. Trong trường hợp này các cực Zn và Cu nhúng trong dung dịch H2SO4 trong đó không có các iôn Cu++  và Zn++. Tuy nhiên, chỉ trong giai đoạn đầu kể từ khi nhúng các cực vào dung dịch H2SO4 thì mới như thế, còn sau đó nhờ phản ứng hóa học giữa axit và kim loại mà các iôn Zn++ và Cu++  đi vào trong dung dịch và như vậy về căn bản, trường hợp này không khác trường hợp pin Volta nói trên.       IV)          Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:2)  Các nguồn điện hóa học:v     Sự phân cực trong các pin – Pin Volta:   ·        Khi pin làm việc: Ở mạch ngoài: electron dịch chuyển từ cực Zn sang cực CuSO4 Ở mạch trong: H2SO4  -> 2H+ + SO4-- Các H+ đến bám vào cực Cu và biến cực Cu thành cực H2 . Hiện tượng này gọi là hiện tượng phân cực trong các pin. Suất điện động của pin lúc này là  đe’ = VH2 – VZn = 0,274 – (-0,50)≈ 0,8VSự phân cực làm cho suất điện động của pin giảm xuống, mặt khác màng H2 bao bọc quanh cực dương làm tăng điện trở trong của pin và vì thế cường độ dòng điện giảm đi.   Dòng điện trong chất điện phân               IV)          Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:2)  Các nguồn điện hóa học:Dòng điện trong chất điện phânSự khử cực – Pin Leclanché:Để khử cực có hai cách: Cách I: Dùng hai dung dịch điện phân khác nhau như pin Daniell Cách II: Dùng chất khử cực hóa học tức những chất oxy hóa mạnh để khử H2 hiện ra ở cực như pin Leclanché.Pin Leclanché: Cấu tạo Cực âm là kẽm, cực dương là một thanh than bao bọc xung quanh bởi một hỗn hợp đã nén chặt gồm có mangan điôxit MnO2 và graphit (để tăng độ dẫn điện). Dung dịch điện phân là amôn clorua NH4Cl                IV)          Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:2)  Các nguồn điện hóa học:   Cấu tạo:Dòng điện trong chất điện phânSuất điện động: e = VMnO2 - VZn = 0,98 – (-0,50) ≈ 1,5 V Khi pin làm việc: Chất điện phân bị phân ly sau:NH4Cl  -> NH4+ + Cl-Cl- đi về phía cực Zn, kết hợp với iôn Zn++ do cực Zn phóng ra tạo thành ZnCl2:2Cl- + Zn++  ->  ZnCl2Còn các iôn NH4+ lại bị phân tích:NH4+   -> NH3 + H+Các iôn H+ đi về phía cực MnO2 kết hợp với các iôn O- - do MnO2 nhả ra tạo thành H2O:2H+ + O- -  -> H2ONhư thế hydro đã bị MnO2 khử mất. MnO2 phóng các iôn O- -  ra dần dần và biến thành MnO. Như vậy khi pin Leclanché hoạt động thì cực Zn mòn dần và MnO2 biến thành MnO.Pin Leclanché:           IV)          Thế điện hóa và các nguồn hóa điện:2)  Các nguồn điện hóa học:     Cho bình điện phân đựng dung dịch H2SO4, hai điện cực giống nhau bằng Pt-  Cho I chạy qua: cực âm hiện ra H2, cực dương hiện ra O2-                     Ngắt mạch: ta được một pin có hai cực H2 và O2 . Ta nói các cực đã được phân cực và xuất hiện một suất điện động phân cực epc-                     Nối hai cực thành mạch kín: có dòng điện chạy qua mạch theo chiều ngược lại, O2 và H2 sẽ dịch chuyển trở lại dung dịch dưới dạng iôn, hai cực trở lại như nhau  Þ epc v     Ắcquy:Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của ăcquy:-         Cấu tạo: 2 điện cực giống nhau nhúng trong dung dịch điện phân.-         Khi nạp điện: hai cực bị phân cực Þ xuất hiện epc-         Khi phóng điện: quá trình xảy ra ngược lại, hai cực trở lại như nhau,  epc ® 0      Sự phân cực khi điện phân b)  Ăcquy: Dòng điện trong chất điện phân