Giải bài tập SGK Vật lý 11 Bài 14: Dòng điện trong chất điện phân

Nội dung của thuyết điện li là gì? Anion thường là phần nào của phân tử?

Phương pháp giải

- Theo thuyết điện li: Trong dung dịch, các hợp chất hóa học phân li thành các ion có thể chuyển động tự do và trở thành hạt tải điện

- Anion thường là phần ion âm của phần tử

Hướng dẫn giải

Trong dung dịch, các hợp chất hóa học như axit, bazơ và muối phân li (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử và nhóm nguyên tử tích điện gọi là ion: ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt tải điện

- Anion thường là phần ion âm của phần tử thường là gốc axit hoặc nhóm (OH)

- Cation mang điện dương là ion kim loại ion H⁺ hoặc một số nhóm nguyên tử khác.

Dòng điện trong chất điện phân khác dòng điện trong kim loại như thế nào?

Phương pháp giải

- Hạt tải trong các chất điện phân: ion dương và ion âm

- Hạt tải trong kim loại: electron tự do

⇒ Dòng điện trong chất điện phân yếu hơn trong kim loại

Hướng dẫn giải

- Dòng diện trong các chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion dương và ion âm.

- Dòng điện trong các chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải vật chất đi theo.

- Dòng điện trong kim loại là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do.

⇒ Dòng điện trong chất điện phân yếu hơn trong kim loại và dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất.

Hãy nói rõ hạt tải điện mạng điện trên các phần khác nhau của mạch điện có chứa bình điện phân:

a) Dây dẫn và điện cực kim loại.

b) Ở sát bề mặt của hai điện cực.

c) Ở trong lòng chất điện phân.

Phương pháp giải

Hạt tải điện trong:

- Dây dẫn và điện cực kim loại: electron tự do

- Bề mặt của hai điện cực: anion và cation

- Chất điện phân: anion và cation

Hướng dẫn giải

Hạt tải điện mang dòng điện trên các phần tử của mạch điện có chứa bình điện phân:

a) Trong phần dây dẫn và các điện cực kim loại: hạt tải điện là các electron tự do.

b)  Sát bề mặt hai điện cực.

- Sát cực dương: các ion âm (anion)

- Sát cực âm: các ion dương (cation)

c) Ở trong lòng chất điện phân: dòng chuyển dời có hướng của các ion dương cùng chiều điện trường và ion âm ngược chiều điện trường.

Chất điện phân thường dẫn điện tốt hơn hay kém hơn kim loại? Tại sao?

Phương pháp giải

- Hạt tải trong các chất điện phân: ion dương và ion âm

- Hạt tải trong kim loại: electron tự do

⇒ Chất điện phân thường dẫn diện yếu hơn kim loại

Hướng dẫn giải

- Chất điện phân thường dẫn diện yếu hơn kim loại

- Nguyên nhân:

+ Mật độ các ion trong điện phân nhỏ hơn mật độ cac electron tự do trong kim loại

+ Khối lượng và kích thước của các ion trong chất điện phân lớn hơn khối lượng các electron, nên tốc độ chuyển động có hướng của chúng nhỏ hơn electron

+ Môi trường dung dịch điện phân mất trật tự hơn, nên cản trở mạnh chuyển động có hướng của các ion.

Hai bể điện phân: bể A để luyện nhôm, bể B để mạ niken. Hỏi bể nào có cực dương tan? Bể nào có suất phản điện?

Phương pháp giải

Bể nào không có cực dương tan thì sẽ đóng vai trò là máy thu và khi đó có suất phản điện

⇒ bể A có suất phản điện

Hướng dẫn giải

- Bể A để luyện nhôm có cực dương bằng than (graphit)

⇒ không có hiện tượng cực dương tan.

- Bể A để mạ niken có cực dương là niken và chất điện phân NiSO₄ 

⇒ có cực dương tan.

- Bể nào không có cực dương tan thì sẽ đóng vai trò là máy thu và khi đó có suất phản điện

⇒ bể A để luyện nhôm có suất phản điện.

Phát biểu định luật Fa-ra- đây, công thức Fa-ra-đây và đơn vị dùng trong công thức này.

Phương pháp giải

- Định luật Fa-ra-đây thứ nhất: m = k.q

- Định luật Fa-ra-đây thứ hai: k = 1/F . A/n

Hướng dẫn giải

Định luật Fa-ra-đây thứ nhất:

- Khối lượng của vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.

- Công thức: m = k.q

- Trong đó: k là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng ở điện cực.

Định luật Fa-ra-đây thứ hai:

- Đương lượng điện hóa k của một nguyên tố tỉ lệ với đương lượng gam A/n của nguyên tố đó.

- Hệ số tỉ lệ là 1/F trong đó F là số Fa-ra-đây:

- Công thức: \(\begin{array}{l} k = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}\,\,\,(F = 96500C/mol)\\ \Rightarrow m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.I.t\,\,(gam) \end{array}\)

Khi điện phân dung dịch H₂SO₄ với điện cực bằng graphit, ta thu được khí oxi bay ra. Có thể dùng công thức Fa-ra-đây để tính khối lương oxi bay ra được không?

Phương pháp giải

- Điện phân H₂SO₄ với điện cực bằng graphit: có khí oxi bay ra

- Áp dụng công thức: m = 1/F. A/n. I.t để tính khối lượng

Hướng dẫn giải

- Khi điện phân dung dịch H₂SO₄ với điện cực bằng graphit, ta thu được khí oxi bay ra.

- Trong trường hợp đó có thể dùng công thức Fa-ra-đây để tính khối lượng oxi bay ra.

- Công thức:  \({m_{{O_2}}} = \frac{1}{{96500}}.\frac{{32}}{4}.I.t\)

Phát biển nào chính xác?

Dòng điện trong chất điện phân là chuyển động có hướng của

A. các chất tan trong dung dịch.

B. các icon dương trong dung dịch.

C. các icon dương và các icon âm dưới tác đụng của điện trường trong dung dịch.

D. các icon dương và icon âm theo chiều điện trường trong dung dịch.

Phương pháp giải

Hạt tải điện trong chất điện phân: ion dương và ion âm

Hướng dẫn giải

- Dòng điện trong chất điện phân là chuyển động có hướng của các ion dương và các ion âm dưới tác dụng của điện trường trong dung dịch.

- Chọn đáp án C.

Phát biển nào chính xác?

Kết quả cuối cùng của quá trình điện phân dung dịch CuSO₄ với điện cực bằng đồng là

A. không có thay đổi gì ở bình điện phân.

B. anot bị ăn mòn.

C. đồng bám vào catot.

D. đồng chạy từ anot sang catot.

Phương pháp giải

Điện phân CuSO₄ với điện cực bằng đồng: thu được đồng chạy từ anot sang catot

Hướng dẫn giải

- Kết quả cuối cùng của quá trình điện phân dung dịch CuSO₄ với điện cực bằng đồng là đồng chạy từ anot sang catot.

CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2-

Cu²⁺ _{-ve catot} +2e → Cu

SO₄^2- _{-ve anot} +2e → CuSO₄ + 2e^-

- Chọn đáp án D.

Tốc độ chuyển động có hướng của ion Na⁺ và Cl^- trong nước có thể tính theo công thức: v = μ.E trong đó E là cường độ điện trường, μ là độ linh động có giá trị lần lượt là 4,5.10^-8 m²/ V.s. Tính điện trở suất của dung dịch NaCl nồng độ 0,1 mol/l, cho rằng toàn bộ các phần tử NaCl đều phân li thành ion.

Phương pháp giải

- Áp dụng công thức tính độ dẫn điện:

σ = 1/ρ để tính độ dẫn điện

- Áp dụng công thức:

 \(\rho = \frac{1}{{n.e({\mu ^ + } + {\mu ^ - })}}\) để tính điện trở suất

Hướng dẫn giải

- Gọi: 

+ n₁ là mật độ hạt tải điện ion Na⁺

⁺n₂ là mật độ hạt tải điện là ion Cl^-

+ σ là độ dẫn điện

+ ρ = 1/ σ là điện trở suất

- Vì Na⁺ nhẹ hơn Cl^- nên có độ linh động μ⁺ > μ^-:

+ μ⁺ = 6,8.10^-8 m²/ V.s

+ μ^- = 4,5.10^-8 m²/ V.s

- Khi phân li, số ion Na⁺ bằng số ion Cl^-

- n₀ là nồng độ của dung dịch NaCl:

 \({n_0} = 0,1mol/l = \frac{{0,1mol}}{{{{10}^{ - 3}}{m^3}}} = 100mol/{m^3}\)

⇒ n₁ = n₂ = n = n₀.N_A = 100.6,02.10²³ = 6,02.10²⁵ hạt/m³

- Tốc độ chuyển động có hướng của các ion: v = μ.E

- Ta có:

R = U/I; U = E.l; I = q/t; V = S.l nên ta được:

\(\sigma = \frac{1}{\rho } = \frac{l}{{R.S}} = \frac{l}{{\frac{U}{I}.S}} = \frac{l}{{\frac{{E.l}}{{\frac{q}{t}}}.S}} = \frac{l}{t}.\frac{q}{{E.l.S}} = v.\frac{q}{{E.V}} = \mu .E\frac{q}{{E.V}} = \mu .n.e\)

\( \Rightarrow \frac{1}{{{\rho _{N{a^ + }}}}} = {\mu ^ + }.{n_1}.e;\,\,\,\,\frac{1}{{{\rho _{C{l^ - }}}}} = {\mu ^ - }.{n_2}.e\)

- Độ dẫn điện của dung dịch NaCl là:

 \(\sigma = \frac{1}{\rho } = \frac{1}{{{\rho _{N{a^ + }}}}} + \frac{1}{{{\rho _{C{l^ - }}}}} = {\mu ^ + }.{n_1}.e + {\mu ^ - }.{n_2}.e.({\mu ^ + } + {\mu ^ - })\)

- Điện trở suất của dung dịch NaCl:

 \(\rho = \frac{1}{{n.e({\mu ^ + } + {\mu ^ - })}} = \frac{1}{{{{6,02.10}^{25}}{{.1,6.10}^{ - 19}}.({{6,8.10}^{ - 8}} + {{4,5.10}^{ - 8}})}} = 0,92\Omega m\)

Người ta muốn bọc một lớp đồng dày d = 10 μm trên một bản đồng điện tích S = 1cm² bằng phương pháp điện phân. Cường độ dòng điện là 0,010A. Tính thời gian cần thiết để bọc được lớp đồng. Cho biết đồng có khối lượng riêng là ρ = 8900 kg/m³.

Phương pháp giải

- Áp dụng công thức:

m = V.ρ = S.d.ρ để tính khối lượng đồng.

- Áp dụng định luật Fa-ra-đây:

\(m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.I.t\) để tính thời gian: \(t = \frac{{m.F.n}}{{A.I}}\)

Hướng dẫn giải

- Đổi đơn vị:

+ d = 10 μm = 10.10^-6 m

+ S = 1 cm² = 10^-4 m²

- Khối lượng đồng cần bọc khỏi bản đồng là:

m = V.ρ = S.d.ρ = 10^-4.10.10^-6.8900 = 8,9.10^-6 kg = 8,9.10^-3 g

- Theo định luật Fa-ra-đây khối lượng đồng cần bóc khỏi bản đồng trong thời gian t là:

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

- Thời gian cần thiết để bọc được lớp đồng là:

 \(t = \frac{{m.F.n}}{{A.I}} = \frac{{{{8,9.10}^{ - 3}}.96500.2}}{{64.0,010}} = 2684\,\,s = 44,73\,p\)