Giải bài tập SBT Vật Lí 11 Bài 14: Dòng điện trong chất điện phân

Câu nào dưới đây nói về bản chất dòng điện trong chất điện phân là đúng ?

A. Là dòng các êlectron chuyển động có hướng ngược chiều điện trường.

B. Là dòng các ion dương-chuyển động có hướng thuận chiều điện trường.

C. Là dòng các ion âm chuyển động có hướng ngược chiều điện trường.

D. Là dòng chuyển động có hướng đồng thời của các ion dương thuận chiều điện trường và của các ion âm ngược chiều điện trường. 

Phương pháp giải

Hạt tải điện trong chất điện phân là các ion dương và ion âm, các hạt tải điện dịch chuyển tạo thành dòng điện

Hướng dẫn giải

- Bản chất dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển động có hướng đồng thời của các ion dương thuận chiều điện trường và của các ion âm ngược chiều điện trường. 

- Đáp án D

Câu nào dưới đây nói về hiện tượng điện phân có dương cực tan là đúng ?

A. Là hiện tượng điện phân dung dịch axit hoặc bazơ với điện cực là graphit.

B. Là hiện tượng điện phân dung dịch muối có chứa kim loại dùng làm catôt.

C. Là hiện tượng điện phân dung dịch muối có chứa kim loại dùng làm anôt. Kết quả là kim loại tan dần từ anôt tải sang catôt.

D. Là hiện tượng điện phân dung dịch muối có chứa kim loại dùng làm anôt. Kết quả là kim loại được tải dần từ catôt sang anôt. 

Phương pháp giải

Để trả lời câu hỏi này cần nắm được định nghĩa hiện tượng điện phân có dương cực tan

Hướng dẫn giải

- Hiện tượng điện phân có dương cực tan là hiện tượng điện phân dung dịch muối có chứa kim loại dùng làm anôt. Kết quả là kim loại tan dần từ anôt tải sang catôt. 

- Đáp án C

Một bình điện phân chứa dung dịch muối niken với hai điện cực bằng niken. Xác định khối lượng niken bám vào catôt khi cho dòng điện cường độ I = 5,0 A chạy qua bình này trong khoảng thời gian t = 1 giờ. Đương lượng điện hoá của niken là 0,3.10^-3 g/C.

A. 1,5 kg.                  B. 5,4 g.                              

C. 1,5 g.                   D. 5,4 kg. 

Phương pháp giải

Áp dụng công thức: m= k.I.t để tính khối lượng kim loại bám vào catot

Hướng dẫn giải

- Khối lượng của niken được giải phóng ra ở điện cực của bình điện phân tuân theo định luật I Fa-ra-đây: m = kq = kIt

Thay số, ta tìm được : m = 0,3.10^-3.5,0.3600 = 5,4g.

- Đáp án B

Một bình điện phân chứa dung dịch đồng sunphat (CuS0₄) có anôt bằng đồng. Cho dòng điện không đổi chạy qua bình này trong thời gian 30 phút, khi đó khối lượng của catôt tăng thêm 1,143 g. Xác định cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân. Đồng (Cu) có khối lượng mol là của A = 63,5 g/mol.

A. 0,965 A.                          B. 1,93 A.                     

C. 0,965 mA.                       D. 1,93 mA. 

Phương pháp giải

Từ công thức Fa-ra-đây, tính cường độ dòng điện theo công thức:

\(I = \frac{{96500.nm}}{{At}} \)

Hướng dẫn giải

- Áp dụng công thức Fa-ra-đây về điện phân dung dịch đồng sunphat (CuSO₄) có anôt bằng đồng (Cu), ta có: 

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.It = \frac{1}{{96500}}.\frac{A}{n}.It\)$$

Thay số, với A = 63,5 g/mol, n = 2, t = 30 phút = 1800 giây và m = 1,143 g.

- Cường độ dòng điện chạy qua dung dịch điện phân :

\(I = \frac{{96500.nm}}{{At}} = \frac{{96500.2.1,143}}{{63,5.30.60}} = 1,93A\)

- Đáp án B

Một bình điện phân chứa dung dịch bạc nitrat (AgN0₃) có anôt bằng bạc và điện trở là 2,5 Ω. Hiệu điện thế giữa hai điện cực của bình này là 10 V. Bạc (Ag) có khối lượng mol là A = 108 g/mol và hoá trị n = 1. Xác định khối lượng bạc bám vào catôt sau 16 phút 5 giây.

A. 4,32 g.                   B. 4,32 kg.                    

C.2,16g.                     D. 2,16 kg. 

Phương pháp giải

Áp dụng công thức:

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.It = \frac{1}{{96500}}.\frac{A}{n}.It\) để tính khối lượng kim loại bám vào catot

với I=U/R

Hướng dẫn giải

- Áp dụng công thức Fa-ra-đây về điện phân dung dịch bạc nitrat (AgNO₃) có anôt bằng bạc (Ag), ta có :

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.It = \frac{1}{{96500}}.\frac{A}{n}.It\)$$

- Trong đó A = 108 g/mol, n = 1, t = 16 phút 5 giây = 965 giây và cường độ dòng điện chạy qua dung dịch điện phân có cường độ:

\(I = \frac{U}{R} = \frac{{10}}{{2,5}} = 4A\)$$

- Thay số, ta tìm được:  

\(m = \frac{1}{{96500}}.\frac{{108}}{1}.4.965 = 4,32g.\)

- Đáp án A

Mắc nối tiếp một bình điện phân chứa dung dịch đồng sunphat (CuSO₄) có anôt bằng đồng (Cu) với một bình điện phân chứa dung dịch bạc nitrat (AgNO₃) có anôt bằng bạc (Ag). Sau môt khoảng thời gian có dòng điện không đổi chạy qua hai bình này, thì khối lượng anôt của bình chứa dung dịch CuSO₄ bị giảm bớt 2,3 g. Xác định khối lượng bạc tới bám vào catôt của bình chứa dung dịch AgNO₃. Đồng có khối lượng mol là A₁ = 63,5 g/mol và hoá trị n₁ = 2, bạc có khối lượng mol là A₂ = 108 g/mol và hoá trị n₂ = 1. Khối lượng bạc tới bám vào catot của bình chứa dung dịch AgNO₃ là

A. 0,67g       B. 1,95g    

C. 2,66g       D. 7,82g 

Phương pháp giải

- Dựa vào công thức Fa-ra-đây tính khối lượng bạc và đồng

- Lập tỉ số hai khối lượng trên và tìm được khối lượng bạc theo công thức:

\({{m_2} = {m_1}.\frac{{{A_2}}}{{{A_1}}}.\frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}}\)

Hướng dẫn giải

- Hai bình điện phân đều chứa dung dịch muối của kim loại dùng làm anot và được mắc nối tiếp, nên cường độ dòng điện chạy qua chúng và thời gian điện phân là như nhau. Khi đó trong hai bình.đều xảy ra hiện tượng điện phân có dương cực tan. Kết quả là : khối lượng kim loại tan ra ở anôt được tải sang bám vào catôt trong mỗi bình điện phân.

- Như vậy, khối lượng đồng m₁ tan ở anôt trong bình chứa dung dịch CuSO₄ và khối lượng bạc m₂ bám vào catôt trong bình chứa dung dịch AgNO₃ được tính theo công thức Fa-ra-đây :

\(\begin{array}{*{20}{c}} {}&{{m_1} = \frac{1}{F}.\frac{{{A_1}}}{{{n_1}}}.It;}\\ {}&{{m_2} = \frac{1}{F}.\frac{{{A_2}}}{{{n_2}}}.It} \end{array}\)$$

- Từ đó ta suy ra:

\(\begin{array}{l} \frac{{{m_2}}}{{{m_1}}} = \frac{{{A_2}}}{{{A_1}}}.\frac{{{n_1}}}{{{n_2}}}\\ Hay\,\,:\\ {m_2} = {m_1}.\frac{{{A_2}}}{{{A_1}}}.\frac{{{n_1}}}{{{n_2}}} = 2,3.\frac{{108}}{{63,5}}.\frac{2}{1} \approx 7,8g \end{array}\)

- Đáp án D

Một vật kim loại diện tích 120 cm² được mạ niken. Dòng điện chạy qua bình điện phân có cường độ 0,30 A và thời gian mạ là 5 giờ. Xác định độ dày của lớp niken phủ đều trên mặt vật kim loại. Niken (Ni) có khối lượng mol là A = 58,7 g/mol, hoá trị n = 2 và khối lượng riêng D = 8,8.103 kg/m³. 

Phương pháp giải

- Áp dụng công thức:

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.It\) để tính khối lượng niken

- Độ dày lớp niken được tính theo công thức sau:

\({h = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.\frac{{It}}{{DS}}}\)

Hướng dẫn giải

- Khối lượng niken được giải phóng ra ở catôt được tính theo công thức Fa-ra-đây :

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.It\)$$

- Thay m = DV = DSh ta tìm được độ dày của lớp niken phủ trên mặt vật mạ:

\(\begin{array}{l} h = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.\frac{{It}}{{DS}}\\ h = \frac{1}{{96500}}.\frac{{{{58,7.10}^{ - 3}}}}{2}.\frac{{0,30.5.3600}}{{{{8,8.10}^3}{{.120.10}^{ - 4}}}} \approx 15,6\mu m \end{array}\)

Một ampe kế được mắc nối tiếp với bình điện phân chứa dung dịch bạc nitrat (AgN0₃) và số chi của nó là 0,90 A. Số chỉ này có đúng không, nếu dòng điện chạy qua bình điện phân trong khoảng thời gian 5,0 phút đã giải phóng 316 mg bạc tới bám vào catôt của bình này. Đương lượng điện hoá của bạc (Ag) là 1,118 mg/C. 

Phương pháp giải

- Áp dụng công thức: \(I = \frac{m}{{kt}} \) để tính cường độ dòng điện

- Sai số tỉ đối được tính theo công thức:

\(\frac{{{\rm{\Delta }}I}}{I} = \frac{{\left| {I - I'} \right|}}{I} \)

Hướng dẫn giải

- Theo định luật I của Fa-ra-đây về điện phân, khối lượng bạc tới bám vào catôt tính bằng :

m = kIt

- Từ đó suy ra dòng điện chạy qua bình điện phân phải có cường độ :

\(I = \frac{m}{{kt}} = \frac{{{{316.10}^{ - 3}}}}{{1,{{118.10}^{ - 3}}.5.60}} = 0,942A\)$$

- Kết quả đo của ampe kế có sai số tỉ đối bằng : 

\(\frac{{{\rm{\Delta }}I}}{I} = \frac{{\left| {I - I'} \right|}}{I} = \frac{{0,942 - 0,900}}{{0,942}} \approx 4,5{\rm{\% }}\)

Khi điện phân dung dịch nhôm ôxit Al₂O₃ nóng chảy, người ta cho dòng điện cường độ 20 kA chạy qua dung dịch này tương ứng với hiệu điện thế giữa các điện cực là 5,0 V. Nhôm có khối lượng mol là A = 27 g/mol và hoá trị n = 3. Xác định khoảng thời gian điện phân để thu được 1 tấn nhôm và lượng điện năng đã tiêu thụ trong quá trình điện phân này bằng bao nhiêu ? 

Phương pháp giải

- Dựa vào công thức:

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.It\) để tính thời gian điện phân

- Điện năng tiêu thụ được tính theo công thức: W = UIt

Hướng dẫn giải

- Áp dụng công thức Fa-ra-đây về điện phân, ta xác định được khoảng thời gian điện phân nhôm :

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.It\)

- Thay số, ta có :  

\(t = \frac{{{{96500.1.10}^6}.3}}{{{{27.20.10}^3}}} \approx 149h\)$$

- Điện năng tiêu thụ :

W = UIt = 5.20.103. 149.3600 = 5,364.1010 J

Xác định khối lượng đồng bám vào catôt của bình điện phân chứa dung dịch Đồng sunphat (CuSO₄) khi dòng điện chạy qua bình này trong 1 phút và có cường độ thay đổi theo thời gian với quy luật I = 0,05.t (A).  Đồng có khối lượng mol là A = 63,5 g/mol và hoá trị n = 2. 

Phương pháp giải

- Tính lượng điện chuyển qua dung dịch theo công thức:

\({q_{tb}} = {I_{tb}}.t = \frac{{{I_1} + {I_2}}}{2}.t \)

- Áp dụng công thức: 

\(m = \frac{1}{{96500}}.\frac{A}{n}.{q_{tb}} \) để tính khối lượng đồng bán vào caotot

Hướng dẫn giải

- Cường độ dòng điện I = 0,05.t (A) thay đổi tăng dần đều trong khoảng thời gian từ t₁ = 0 đến t₂ = 1 phút = 60 s ứng với các giá trị cường độ dòng điện và I₂ = 0,05.60 = 3,0 A.

- Do đó, điện lượng chuyển qua dung dịch đồng sunphat có giá trị trung bình bằng:

\({q_{tb}} = {I_{tb}}.t = \frac{{{I_1} + {I_2}}}{2}.t = \frac{{0 + 3,0}}{2}.60 = 90C\)$$

- Áp dụng công thức Fa-ra-đây về điện phân, ta xác định được khối lượng đồng bám vào catôt của bình điện phân :

\(m = \frac{1}{{96500}}.\frac{A}{n}.{q_{tb}} = \frac{1}{{96500}}.\frac{{63,5}}{2}.90 \approx 29,6mg\)

Xác định điện tích nguyên tố e bằng cách dựa vào định luật II Fa-ra-đây về điện phân. Cho biết số Fa-ra-đây F = 96500 C/mol. 

Phương pháp giải

Dựa vào công thức Fa-ra-đây, lập luận và tính điện tích nguyên tố e theo công thức:

\({q_0} = \frac{q}{{{N_A}}} = \frac{F}{{{N_A}}} \)

Hướng dẫn giải

- Theo định luật II Fa-ra-đây về điện phân:

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.q\)$$

- Muốn có một đương lượng gam A/n của một chất giải phóng ra ở mồi điện cực của bình điện phân thì cần phải có một điện lượng q = F culông chuyển qua bình điện phân.

- Điện lượng này đúng bằng tổng điện tích của các ion có trong một đương lượng gam A/n của chất đó chuyển qua bình điện phân.

- Vì số nguyên tử có trong mỗi khối lượng mol nguyên tử A của một nguyên tố đúng bằng số Avô-ga-đrô NA = 6,023.1023 nguyên tử/mol, nên suy ra mỗi ion hoá trị n = 1 sẽ có điện tích q0 tính bằng :

\({q_0} = \frac{q}{{{N_A}}} = \frac{F}{{{N_A}}} = \frac{{96500}}{{6,{{02.10}^{23}}}} \approx 1,{6.10^{ - 19}}C\)$$

- Đại lượng e = 1,6.10-19C chính là điện tích nguyên tố. Như vậy điện tích của ion hóa trị n = 2 sẽ bằng 2e, của ion hoá trị n = 3 là 3e,...

Khi điện phân dung dịch muối ăn NaCl trong binh điện phân có điện cực anôt bằng graphit, người ta thu được khí clo ở anôt và khí hiđrô ở catôt.

a) Giải thích kết quả của quá trình điện phân này dựa theo thuyết điện li.

b) Xác định thể tích của các khí thu được ở điều kiện chuẩn khi điện phân trong khoảng thời gian t = 10 phút với cường độ dòng điện I = 10 A. 

Phương pháp giải

a) Sử dụng lí thuyết về điện phân dung dịch để giải thích

b) Tính thể tích theo công thức: V=Q/k.11200

Hướng dẫn giải

a) Trong dung dịch muối ăn, các phân tử NaCl bị phân li thành các ion dương Na+và các ion âm  Cl-:

NaCl → Na⁺ + Cl ^- ${}^{}$

- Các ion Cl ^- ${}^{}$ chuyển động ngược chiều điện trường về anôt, nhường êlectron cho anôt trở thành các nguyên tử Clo và kết hợp với nhau tạo ra các phân tử Cl₂ bay lên :

2Cl ^- ${}^{}$  → 2e- + Cl2 ↑

- Các ion Na+ chuyển động cùng chiều điện trường về catôt, tại đó chúng tác dụng với các phân tử H₂O để tạo ra các phân tử NaOH và các ion H⁺. Những ion này thu êlectron ở catôt trở thành các nguyên tử H và kết hợp với nhau tạo ra các phân tử H₂ bay lên :

2Na⁺ + 2H₂O → NaOH + 2 H⁺

H⁺ + 2e^-  → H₂ ↑

b) Muốn có một khối.lượng mol khí hoá trị n = 1 như clo hoặc hiđrô giải phóng ra ở mỗi điện cực thì cần có một điện lượng q = F = 96500 C chuyển qua bình điện phân.

- Mặt khác, theo các phản ứng trong câu a) nêu trên, ta thấy mỗi khối lượng mol nguyên tử của khí clo hoặc hidro sẽ cho 1/2 mol khí ứng với thể tích trong điều kiện chuẩn là 22,4/2 (lit/mol) = 11200cm³/mol.

- Theo đề bài, điện lượng chuyển qua bình điện phân bằng:

Q = It = 10.10.60 = 6000C

- Như vậy, thể tích của khí clo hoặc hidro thu được ở mỗi điện cực sẽ bằng:

\(V = \frac{{6000}}{{96500}}.11200 \approx 696c{m^3}\)