Giải vật lí 11 bài 14: Dòng điện trong chất điện phân

Hướng dẫn giải bài tập, bài thực hành trong bài 14: Dòng điện trong chất điện phân - sách giáo khoa vật lí 11. Tất cả các kiến thức lý thuyết và bài tập trong bài học này đều được giải đáp cẩn thận, chi tiết. Chúng ta tham khảo để học tốt vật lí 11 bài 14: Dòng điện trong chất điện phân nhé.

[toc:ul]

I. TÓM TẮT LÝ THUYẾT

1. Thuyết điện li

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

Sự phân li của một số hợp chất:

Axit $\rightarrow $ gốc axit (ion âm) + H⁺ .
Bazo $\rightarrow $ OH^- (ion âm) + ion dương (kim loại).
Muối $\rightarrow $ gốc axit (ion âm) + ion dương (kim loại).

Chú ý: Một số bazo không chứa ion kim loại nhưng cũng bị phân li thành ion trong dung dịch.

Bản chất của sự phân li: Các ion âm và ion dương đã tồn tại sẵn các phân tử axit, bazo, muối. Chúng liên kết chặt với nhau bằng lực hút Cu–lông. Khi tan vào nước hoặc một dung môi khác, lực hút Cu–lông yếu đi, liên kết trở nên lỏng lẻo. Một số phân tử bị chuyển động nhiệt tách thành các ion tự do.

Một số bazo hoặc muối không tan khi bị nóng chảy cũng phân li ra các ion.

Những dung dịch và chất nóng chảy trên được gọi là chất điện phân. Trong bài này ta chỉ xét chất điện phân do dung dịch.

2. Bản chất dòng điện trong chất điện phân

Dòng điện trong lòng chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau.

Ion dương chuyển động về phía catot nên gọi là cation. Ion âm chuyển dịch về phía anot nên gọi là anion.

Mật độ các ion trong dung dịch nhỏ hơn mật độ electron tự do trong kim loại nên dung dịch dẫn điện không tốt bằng kim loại.

Dòng điện trong chất điện phân vừa dẫn điện lượng vừa tải vật chất. Khi đến các điện cực, vật chất bị giữ lại chỉ có electron có thể đi tiếp gây ra hiện tượng điện phân.

3. Các hiện tượng điện cực. Hiện tượn dương cực tan

Do dòng điện trong chất điện phân vừa tải điện lượng vừa tải vật chất nên khi xảy ra hiện tượng điện phân thì các cation dịch chuyển và bám vào catot, các anion dịch chuyển về phía anot và kéo các cation vào dung dịch gây nên hiện tượng dương cực tan.

Hiện tượng dương cực tan là hiện tượng xảy ra kim loại dùng làm cực dương của bình điện phân (anot) trùng với kim loại của muối dùng làm dung dịch điện phân.

Năng lượng để thực hiện việc phân tách trong bình điện phân tỉ lệ với điện lượng chạy qua bình điện phân: $W = \varepsilon _{p}.I.t$ với $\varepsilon _{p}$: Suất phản điện của bình điện phân.

4. Các định luật Fa-ra-day

Khối lượng chất đi đến điện cực:

Tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình điện phân;
Tỉ lệ thuận vơi khối lượng của ion (hay khối lượng mol nguyên tử A của nguyên tố tạo nên ion ấy);
Tỉ lệ nghịch với điện tích của ion (hay hóa trị n của nguyên tố tạo ra ion ấy);

Định luật Fa-ra-day thứ nhất: Khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.

m = k.q với k là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng ở điện cực.

Định luật Fa-ra-day thứ 2: 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 gọi là số Fa-ra-day.

$k = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}$, với F = 96500 (C/mol)

Công thức Fa-ra-day: $m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.I.t$ (kg), m là khối lượng chất giải phóng.

Hiện tượng điện phân có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống: luyện nhôm, mạ điện...

II. GIẢI BÀI TẬP

Giải câu 1: Nội dung của thuyết điện li là gì...

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

Bài giải:

Nội dung thuyết điện li:

Sự phân li của một số hợp chất:

Axit $\rightarrow $ gốc axit (ion âm) + H⁺ .
Bazo $\rightarrow $ OH^- (ion âm) + ion dương (kim loại).
Muối $\rightarrow $ gốc axit (ion âm) + ion dương (kim loại).
Một số bazo không chứa ion kim loại nhưng cũng bị phân li thành ion trong dung dịch.

Anion là phần mang điện âm của phân tử.

Giải câu 2: Dòng điện trong chất điện phân khác...

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

Bài giải:

Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển dời có hướng của các ion trong dung dịch điện trường.

Giải câu 3:Hãy nói rõ hạt tải điện nào mang...

Hãy nói rõ hạt tải điện nào mang dòng điện trên các thành phần khác nhau của mạch điện có chứa bình điện phân:

a. Dây dẫn và điện cực kim loại.

b. Ở sát bề mặt hai điện cực.

c. Ở trong lòng chất điện phân.

Bài giải:

a. electron.

b. các ion dương (cacot), ion âm (anot)

c. các ion mang điện.

Giải câu 4: Chất điện phân thường dẫn điện...

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

Bài giải:

Chất điện phân dẫn điện kém hơn kim loại vì mật độ các hạt tải điện trong chất điện phân thường nhỏ hơn trong kim loại.

Giải câu 5: Hai bể điện phân: bể A để luyện...

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

Bài giải:

Bể có dương cực tan là bể B, bể có suất phản điện là bể A.

Giải thích: Vì trong cuộc sống người ta thường ứng dụng hiện tượng dương cực tan để mạ kim loại.

Giải câu 6: Phát biểu định luật Fa-ra-day...

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

Bài giải:

Định luật Fa-ra-day:

Định luật Fa-ra-day thứ nhất: Khối lượng vật chất được giải phóng ở điện cực của bình điện phân tỉ lệ thuận với điện lượng chạy qua bình đó.

m = k.q với k là đương lượng điện hóa của chất được giải phóng ở điện cực.

Định luật Fa-ra-day 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 gọi là số Fa-ra-day.

$k = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}$, với F = 96500 (C/mol)

Công thức Fa-ra-day: $m = \frac{1}{F}.\frac{A}{n}.I.t$ (kg)

Trong đó:

m là khối lượng chất giải phóng (kg).
F: số Fa-ra-day, f = 96500 C/mol.
A: Khối lượng mol nguyên tử của nguyên tố (kg).
n: hóa trị của nguyên tố.
I: Cường độ dòng điện trong dung dịch điện phân (A).
t: thời gian điện phân. (s).

Giải câu 7: Khi điện phân dung dịch H₂SO_4...

Khi điện phân dung dịch H₂SO₄ với điện cực bẳng grafit, ta thu được khí oxi bay ra ở anot. Có thể dùng công thức Fa-ra-day để tính khối lượng oxi bay ra được không?

Bài giải:

Có thể dùng công thức Fa-ra-day để tính khối lượng oxi bay ra.

Giải câu 8: Phát biểu nào sau đây là chính xác...

Phát biểu nào sau đây là chính xác.

Dòng điện trong chất điện phân là dòng chuyển rời có hướng của

A. các chất tan trong dung dịch

B. các ion dương trong dung dịch.

C. các ion dương và ion âm dưới tác dụng của điện trường trong dung dịch.

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

Bài giải:

Chọn đáp án C.

Giải câu 9: Chọn phát biểu đúng...

Chọn phát biểu đúng

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.

Bài giải:

Chọn đáp án C.

Giải thích: Hiện tượng điện phân trong bài này có xảy ra hiện tượng dương cực tan vì kim loại làm điện cực trùng với kim loại trong dung dịch.

Giải câu 11: Người ta mướn bóc một lớp đồng...

Người ta mướn bóc một lớp đồng dày d = 10 $\mu m$ trên một bản đồng diện tích S = 1 $cm^{2}$ bằng phương pháp điện phân. Cường độ dòng điện là 0,01 A. Tính thời gian cần thiết để bóc được lớp đồng. Cho biết đồng có khố lượng riêng là $\rho = 8900$ $kg/m^{3}$.

Bài giải:

Thể tích lớp đồng cần bóc là: V = S.d = $1.10^{-4}.10.10^{-6} = 10^{-9}$ ($m^{3}$).

Khối lượng đồng cần bóc là: m = $\rho .V = 8900.10^{-9} = 89.10^{-7}$

Áp dụng công thức Fa-ra-day:

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

$\Rightarrow $ Thời gian cần thiết là:

$t = \frac{m.F.n}{A.I} = \frac{89.10^{-7}.96500.2}{64.10^{-3}.0,01} = 2,68.10^{3}$ (s).

Giải câu 10: Tốc độ chuyển động có hướng của...

Tốc độ chuyển động có hướng của ion Na⁺ và Cl^-trong nước có thể tính theo công thức: v = $\mu $.E, trong đó E là cường độ điện trường, $\mu $ có giá trị lần lượt là 4,5.10^-8m²/(V.s) và 6,8.10^-8 m²/(V.s). Tính điện trở suất của dung dịch NaCl nồng độ 0,1 mol/l, cho rẳng toàn bộ các phân tử NaCl đều phân li thành ion.