CHƯƠNG 5 SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN...

1

CHƯƠNG 5

SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN TÍCH

2

Nội dung

5.1. Khái niệm cơ bản

5.2. Độ dẫn điện

5.3. Phương pháp đo độ dẫn điện và ứng dụng

5.4. Linh độ ion và linh độ ion H+ - OH-

5.5. Quan hệ độ dẫn điện – tốc độ chuyển vận

5.6. Số chuyển vận của các ion

5.7. Định luật giới hạn Debye – Huckel

3

Vật thể cùng loại


5.1.1. Vận chuyển điện tích

Ion – ion

Điện tử - điện tử

Thay đổi thành phần hóa học

Khi dẫn điện, tại bề mặt tiếp xúc

Phản ứng hóa học xảy ra

Vật thể khác loại

Ion – điện tử

Điện tử - ion

4

Những dung dịch điện ly,

chất điện ly nóng chảy, các

khí ion hóa.

Dẫn điện do sự chuyển vận

của các ion.

5.1.2. Phân loại dây dẫn

Dựa vào bản chất dẫn điện,

FARADAY chia thành 2 loại

Dây dẫn loại 1 Dây dẫn loại 2

Những dây làm bằng kim loại

(đồng, bạc, nhôm…) hay bán

dẫn.

Dẫn điện do sự dịch chuyển của

các điện tử (electron) và lỗ trống


5

Cực âm (catod)

+ Electron chuyển từ điện cực (nối cực ÂM nguồn điện) đến ion (trong dung dịch)

+ Phản ứng khử xảy ra

Cu2+ + 2e = Cu

Fe3+ + e = Fe2+

2H2O + 2e = H2 + 2OH-

Cực dương (anod)

+ Electron chuyển từ ion (trong dung dịch) đến điện cực (nối cực DƯƠNG nguồn điện)

+ Phản ứng khử xảy ra

4OH- = O2 + 2H2O + 4e

Fe2+ = Fe3+ + e

Zn = Zn2+ + 2e

5.1.3. Sự điện phân


Tổngquá trình

Dây dẫn loại 1(ANOD)

Dây dẫn loại 1

Dây dẫn loại 2 (CATOD)

q

q

6

Lượng chất thoát ra hay bám lên bề mặt

điện cực khi điện phân, tỷ lệ thuận với điện

lượng đi qua dung dịch đó.

m = k0.I.t = k0.q

5.1.4. Định luật Faraday


Định luật Faraday 1

7

Trong đó:

+ q : điện lượng đi qua dung dịch chất điện ly (C)

+ I : cường độ dòng điện (A)

+ t : thời gian (s)

+ k0: hệ số tỉ lệ




8



Nếu q = I.t = 1 thì m = k0x1 = ko

Nên ko là lượng chất bị chuyển hóa khi cho một đơn

vị điện lượng đi qua chất điện ly.


ko gọi là đương lượng điện hóa

9

Khi cho cùng một điện lượng đi qua các

dung dịch điện ly khác nhau thì lượng chất

thoát ra hay bám lên trên bề mặt điện cực

đó tỷ lệ với đương lượng điện hóa của nó.




10




Nếu cho điện lượng 1 culong (C) qua dung dịch

AgNO3, CuSO4 và H2SO4 thì trên catod thu được?

Dd điện ly AgNO3 CuSO4 H2SO4

ko 1,118.10-3g Ag 0,3293.10-3 g Cu 0,010446.10-3 g H2

11




Nếu lấy đương lượng gam (Đ) chia cho ko ta được

hằng số Faraday

Dd điện ly AgNO3 CuSO4 H2SO4

ko 1,118.10-3g Ag 0,3293.10-3 g Cu 0,010446.10-3 g H2

Đ 107,870 31,77 1,00797

F 96.484,8 96.477,4 96.493,4

12




k0 = Đ/F

Vậy để chuyển hóa một đlg của một chất bất

kỳ bằng phương pháp điện hóa đều cần

cùng một điện lượng, đó là số FARADAY.

13

Một số công thức điện học



I = E/RĐịnh luật Ohm:

P = E.ICông suất (W)

Q = P.t = E.I.t = I2.R.tĐiện năng (J):

14

1C (culong) = 1 ampe.giây

1F = 26,8 ampe.giờ = 96484,520 C 96500 C

1watt.giây = 1Von.1Ampe.1giây = 1 Jun

1kW.giờ = 3.600.000 J



Một số chuyển đổi đơn vị

15

So sánh khối lượng của Ag, Cu, H2 thu được ở catod khi cho

cùng một điện lượng q cua 3 dung dịch điện ly: AgNO3, CuSO4

và H2SO4?

Bài tập 1



16

1. Cho điện lượng 1 Faraday qua dung dịch CuSO4 sẽ thu

được bao nhiêu gam Cu và oxy?

2. Cho điện lượng 1 Faraday qua dung dịch H2SO4 sẽ cho ra

bao nhiêu gam hydro và oxy?

3. Cho điện lượng 1 Faraday qua dung dịch AgNO3 sẽ thu

được Ag và oxy?

Bài tập 2



17

Cho dòng điện 12V không đổi qua bình điện phân điện cực Pt

chứa dung dịch H2SO4 loãng trong 1 giờ có 448 ml hỗn hợp khí

thoát ra. Tính:

a. Điện lượng q qua dung dịch điện ly?

b. Cường độ dòng điện?

c. Công suất và điện năng tiêu thụ của bình điện phân?

Bài tập 3



RL

1

18


5.2.1. Độ dẫn điện L

Độ dẫn điện L (-1)

- điện trở riêng, là điện

trở của dây dẫn dài 1cm,

tiết diện 1cm2.

Với:

sR

ρ

19


5.2.2. Độ dẫn điện riêng

Độ dẫn điện riêng (-1.cm-1)

1 cm

1cm3

20



Độ dẫn điện riêng (-1.cm-1)

Là độ dẫn điện của một dung dịch có thể tích

1cm3 được đặt giữa hai điện cực phẳng song

song có diện tích như nhau (cm2) và cách 1 cm.

ρ

1χ

21

sρR ;

R

1L

Một số công thức quan hệ



Đặt:

sk

: hằng số bình điện cực.

L.k

22

Ghi chú



Độ dẫn điện của chất điện ly nhỏ hơn rất nhiều

(hàng trăm, hàng ngàn) lần so với kim loại.

Độ dẫn điện của chất điện ly lớn hơn rất nhiều

với chất không dẫn điện

Độ dẫn điện phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ

23

Độ dẫn điện phụ thuộc vào nồng độ



5 10 15

2

4

6

HCl

H2SO4

KOHNaOH

AgNO3

KCl

Ca(NO3)2

MgSO4CH3COOH

Ý nghĩa: trong thực tế

chọn chất điện ly và

nồng độ để có độ dẫn

điện cao nhất cho

phép tiết kiệm năng

lượng.

24

Độ dẫn điện phụ thuộc nhiệt độ



225t 25tβ25tα1χχ

Acid mạnh : = 0,0164

Baz mạnh : = 0,0190

Muối : = 0,022

= 0,0163( - 0,0174)

25

Điện trở của dung dịch KCl 0,01N ở 25oC trong một bình đo độ

dẫn điện đo được là 450 . Biết độ dẫn điện riêng của dung dịch

KCl là 0,002768-1.cm-1. Dùng bình này đo độ dẫn điện của

dung dịch CaCl2 chứa 0,555g CaCl2 trong 1 lít thông qua đo điện

trở có giá trị là 1050.

a. Xác định k?

b. Xác định độ dẫn điện riêng của dung dịch CaCl2?

Bài tập 4



26

Độ dẫn điện đương lượng (cm2/đlg.)


5.2.3. Độ dẫn điện đương lượng

1 cm

a cm2

Vcm3

1đlg

a cm

2

27

Là độ dẫn điện của một thể tích tính theo cm3

chứa đúng một đương lượng gam chất điện ly

nằm giữa hai điện cực phẳng song song cách

nhau 1cm.

Độ dẫn điện đương lượng (cm2/đlg.)



28

Trong đó:

CN : nồng độ đương lượng

λ : độ dẫn điện đương lượng (cm2. -1.đlg-1)

Công thức tính:



NC

1000.χλ

29

Hỗn hợp hai muối nóng chảy KCl và NaCl ở 8000C và có

phân mol NaCl là 0,56; có độ dẫn điện riêng bằng 2,862

-1.cm-1. Khối lượng riêng của dung dịch muối nóng chảy

trên ở 8000C bằng 1,484 g/cm3. Xác định độ dẫn điện

đương lượng của dung dịch?

Bài tập 5



30

Sự phụ thuộc vào nồng độ



, cm

2/

đlg

31



Sự phụ thuộc vào nồng độ

(đlg/l)2

, cm

2 /đ

lg

0,05

100

200

300

HCl

00,10

KOH

KCl

CH3COOH

LiCl

32

Nhận xét



1. Khi nồng độ tăng thì giảm lúc đầu nhanh sau chậm;

2. Đối với chất điện ly mạnh, giảm theo quy luật tuyến

tính và chậm với . Điều này thích hợp phương trình

Koklrausch.

33

λ : độ dẫn điện đương lượng giới hạn (dung dịch vô cùng loãng)

A : giá trị thực nghiệm. Phụ thuộc T, P, dung môi, chất điện ly

Đối với chất điện ly mạnh, thích hợp PT thực nghiệm Kohlrausch:



Trong đó:Định luật thứ nhất

Kohlrausch

CA-λλ

34



Bài tập 6

Để xác định λ của dung dịch HCl ở 25oC, người ta đo độ dẫn điện

ở các nồng độ khác nhau (50ml dung dịch) thu được kết quả:

C (đlg/l) 0,001 0,002 0,003 0,004

L (S) 1385 1367 1235 978

Đồng thời, Người ta sử dụng hệ thống này đo độ dẫn điện 50ml

dung dịch KCl 0,01N thu được giá trị 1245S, biết độ dẫn điện

riêng của dung dịch này ở 25oC là 1,413.10-3 -1.cm-1. Xác định λ

của dung dịch HCl?

35

5.2.4. Quan hệ giữa - C và PT Kohlrausch

Đối với chất điện ly yếu, độ điện ly được tính theo

công thức độ dẫn điện đương lượng:

λ

λα


36

Đối với chất điện ly yếu, 1 – 1:

K.

12λ

λ.C

λλ

1

K : hằng số phân lyTrong đó:



37

Bài tập 7

Tiến hành đo độ dẫn điện ở các nồng độ khác nhau (cùng thể

tích) của dung dịch CH3COOH ở 25oC thu được kết quả:

C (N) 0,125 0,0625 0,03125 0,015625

L (S) 545 368 251 175

Đồng thời, sử dụng hệ thống này đo độ dẫn điện dung dịch KCl

0,01N (cùng thể tích với CH3COOH) thu được giá trị 1245S, biết

độ dẫn điện riêng của dung dịch này là 1,413.10-3 -1.cm-1. Xác

định λ của dung dịch CH3COOH?



38

5.3. PP đo độ dẫn điện - Ứng dụng

5.3.1. Phương pháp đo độ dẫn điện

Phương pháp cầu Wheatstone Hiệu chỉnh điện dung

Rc = 1/.C

39

Người ta sử dụng các bình đo đo dẫn điện, thay vì đo và S của

điện cực bình thì người ta đo k = /S thông qua việc đo điện trở của

chất đã biết chính xác độ dẫn điện riêng. Sau đó, tính như sau:


5.3.1. Phương pháp đo độ dẫn điện

xR

kL.k

Người ta thường dùng dung dịch điện ly chuẩn KCl

40

Trong điện phân, tiết kiệm năng lượng và nâng cao

chất lượng sản phẩm.

Hàm lượng muối trong các dung dịch.

Xác định bậc axít

Xác định độ hòa tan

Phép định phân điện dẫn trong phân tích.


5.3.2. Ứng dụng pháp đo độ dẫn

41



Phép định phân điện dẫn

Chuẩn HCl bằng NaOH

42



Phép định phân điện dẫn

Chuẩn KCl bằng AgNO3

43

Linh độ ion chính là tốc độ tuyệt đối của các ion, đơn vị cm2/von.giây.

Gọi: +, - là tốc độ chuyển động các ion

o+, o- là tốc độ tuyệt đối các ion

Ta có:

5.4. Linh độ ion – Linh độ ion H+ - OH-

5.4.1. Khái niệm

: Cường độ điện trường

44

Linh độ của các ion trong dung dịch nước thường có cùng độ

lớn khoảng 6.10-4 cm2/V.s

Riêng linh độ của H+ và OH- rất lớn:

+ H+: 36,3.10-4 cm2/V.s

+ OH-: 20,5.10-4 cm2/V.s

5.4. Linh độ ion – Linh độ ion H+ - OH-

5.4.2. Linh độ ion của các ion H+ và OH-

Nguyên nhân

45

Tiết diện ống hình trụ: S (cm2)

Khoảng cách hai điện cực: 1(cm)

Hiệu điện thế hai điện cực: E (vôn)


5.5.1. Bài toán

Khảo sát bình điện phân ống hình trụ, trong đó:

Gọi:

+, - là tốc độ chuyển động các ion, cm/giây

C : nồng độ dung dịch điện ly, đlg/l

: độ điện ly

46


5.5.1. Bài toán

Số cation = số anion = C. /1000 đlg/cm3Trong 1cm3

Số đlg cation = +.S.C. /1000 đlgKhảo sát

S cm2 – 1 giâySố đlg anion = +.S.C. /1000 đlg

q = q+ + q-; q = I.t = I;Điện lượngqua dung dịch

(1 giây)

I = ( ).S.C. F.E/(1000.l)Mà .E/l

I = ( ).S.C. F/1000

-

47


5.5.1. Bài toán

48

Chất điện ly mạnh, = 1 nên:


5.5.2. Công thức quan hệ

Điện ly mạnh:

Điện ly yếu:

––

Điện ly mạnh - yếu:

49

Đối với chất điện ly mạnh (α = 1)

Với chất điện ly yếu khi dung dịch vô cùng loãng:

Đối với chất điện ly yếu:

, +, - : độ dẫn điện đương lượng tới hạn các ion với

dung dịch vô cùng loãng (cm2/.đlg)

Trong đó:

Định luật thứ haiKohlrausch

λλλ



Tóm tắt

50

Quan hệ giữa - C

Chất điện ly mạnh (PT thực nghiệm Kohlrausch):

Chất điện ly yếu, phương trình nghiệm đúng:

CA-λλ

cK.

12λ

λ.C

λλ

1



51

Biết độ dẫn điện giới hạn của dung dịch HCl, CH3COONa và

NaCl lần lượt là 426,1; 91 và 126,5 cm2.Ω-1.đlg-1. Xác định độ

dẫn điện đương lượng giới hạn của dung dịch CH3COOH ở

250C ?

Bài tập 8



52

Độ dẫn điện riêng của dung dịch AgCl bão hòa ở 25oC bằng

3,14.10-6-1.cm-1; độ dẫn điện riêng của nước cũng ở nhiệt độ trên

là 1,60.10-6-1.cm-1. Biết độ dẫn điện giới hạn của Ag+ và Cl- là

61,92 và 76,34 cm2/.đlg. Xác định độ hoà tan và tích số tan của

AgCl ở 250C?

Bài tập 9



53

Dung dịch CH3COOH có nồng độ 0,05N và độ dẫn điệng riêng

bằng 3,24.10-4 -1.cm-1. Dung dịch CH3COONa nồng độ

0,0001N có độ dẫn điện riêng bằng 7,75.10-6 -1.cm-1. Linh độ

ion của H+ và Na+ bằng 314,9 và 43,5 -1.đlg-1.cm2. Xác định

hằng số phân ly của CH3COOH?

Bài tập 10



54

Ở 298K, độ dẫn điện riêng của dung dịch AgCl bão hòa trong

nước bằng 2,68.10-6-1.cm-1, của nước nguyên chất bằng

0,86.10-6. Độ dẫn điện đương lượng giới hạn của các dung dịch

AgNO3, HCl và HNO3 bằng 133; 426 và 421 -1.đlg-1.cm2. Tính

độ tan của AgCl trong nước ở nhiệt độ trên?

Bài tập 11



55

5.6. Số chuyển vận các ion

5.6.1. Khái niệm

Là tỷ số giữa điện lượng mang bởi một loại ion

nào đó qua tiết diện của chất điện ly và tổng

điện lượng đi qua tiết diện dung dịch điện ly đó.

Số chuyển vận các ion (số tải)

i

ii

q

qt

56


5.6.2. Công thức tính toán

Trong dung dịch chứa hai loại ion gồm cation và anion thì:

λλ

λ

vv

v

vv

v

qq

qt

oo

o

λλ

λ

vv

v

vv

v

qq

qt

oo

o

57

Ở 250C, độ dẫn điện riêng của MgCl2 bằng 0,002412 -1.cm-1.

Số tải của ion Mg2+ trong dung dịch này bằng 0,345. Tính tốc độ

tuyệt đối của ion Mg2+ và Cl- trong dung dịch MgCl2 0,01N?

Bài tập 12


5.6.2. Công thức tính toán

58


Anod(+)

Catod(-)

+ + + + + +_ _ _ _ _ _

+ + + + + +_ _ _ _ _ _

+ + + + + +_ _ _ _ _ _

Vùng I Vùng II Vùng III

+ + + + + +_ _ _ _ _ _

(A)

(B)

(C)

+ + + + + +_ _ _ _ _ _

+ + + + + +_ _ _ _ _ _

+ + + + + +_ _ _ _ _ _

+ _

+ + + + +_ _ _ _ _

- -- -- -

+ ++ ++ +

Anolit Catolit

5.6.3. Phương pháp Hittorf xác định số chuyển vận

Ta được:

5λ

λ

v

v

n

n

o

o

c

a

Mô hình phương pháp Hittorf

59



Tính toán theo phương pháp Hittorf

ca

a

ca

a

oo

o

mm

m

nn

n

λλ

λ

vv

vt

Số vận chuyển của các ion được xác định theo quan hệ sau:

ca

c

ca

c

oo

o

mm

m

nn

n

λλ

λ

vv

vt

60

Để xác định số tải người ta tiến hành điện phân dung dịch

Cu(NO3)2 với anot bằng Ag và catot bằng Cu. Sau một thời gian

điện phân người ta thấy dung dịch khu anot chứa 0,02 mol

AgNO3 còn dung dịch khu catot lại mất 0,006 mol Cu(NO3)2.

Bài tập 13



61

Bài tập 13



Khu anot:

Nhận được t(NO3-) đương lượng NO3- chuyển tới; song lại mất đi t+

đương lượng Cu2+ chuyển khỏi anod. Tổng cộng tại khu này có

thêm (t+ + t– = 1) đương lượng AgNO3 và mất đi t+ đương lượng

Cu(NO3)2. Do đó, số đương lượng bằng 0,02 mol (vậy na + nc =

0,02).

62

Bài tập 13



Khu catot:

Nhận được t+ đương lượng Cu2+ và mất đi t- đương lượng NO3- do

sự tải ion. Tổng cộng khu này mất đi t- đương lượng Cu(NO3)2. Do

đó mất đi 0,006 mol hay 0,006.2 = 0,012 = nc đương lượng

Cu(NO3)2.

Tính số tải NO3:

6,002,0

012,0

nn

nt

Ca

C

63


5.6.4. Phương pháp ranh giới di động

Mô hình phương pháp

MA – chất điện ly cần nghiên cứu

M’A – chất điện ly chỉ thị

Mz+ tốc độ chuyển vận lớn hơn M’Z+

Dung dịch không màu đo sự di

chuyển bằng chỉ số khúc xạ.

64



Tính toán theo phương pháp ranh giới di động

q

CFSxt

Số vận chuyển của cation được xác định theo quan hệ sau:

Trong đó:

x : ranh giới di động, cm.

S : diện tích tiết diện bình, cm2.

C : số đlg trong 1 cm3 dung dịch.

Khi dung dịch có nồng độ lớn, độ chính xác không cao

t– = 1 – t+

65

Sự di động của ranh giới dung dịch thallium clorua (TlCl3) bằng

0,0498N và dung dịch KCl quét qua thể tích 1,023 cm3 trong

3678 giây, dòng điện qua là 4,573mA. Hãy tính số chuyển vận

của ion Tl3+?

Bài tập 14



66

Để xác định số tải ion K+ người ta sử dụng phương pháp ranh

giới di động giữa hai dung dịch KCl 0,1M và LiCl 0,065M trong

đó dung dịch LiCl được dùng làm chất chỉ thị. Cho biết cường độ

dòng bằng 5,893mA; tiết diện ngang của ống đo là 11,42mm2;

tốc độ di động của ranh giới là 0,0263 mm/giây và độ dẫn điện

riêng 2,346 -1.cm-1. Xác định số tải của K+ và linh độ của ion

K+?

Bài tập 15



67

5.7. Định luật giới hạn Debye - Huckel

5.7.1. Phương trình gần đúng bậc nhất

Định luật giới hạn Debye - Huckel

Định luật giới hạn Debye – Huckel về hệ số hoạt độ (hay phương

trình gần đúng bậc nhất):

Phương trình giới hạn của hệ số hoạt độ trung bình có dạng:

cI.l 2ii Z.Ag

cI..l ZZ.Ag

68

5.7.1. Phương trình gần đúng bậc nhất


cI.l 2ii Z.Ag

Nếu dùng nồng độ molan, khi dung dịch loãng Ci = mi.o

cI..l ZZ.Ag

mI.l 2ii Z'.Ag

mI..l ZZ'.Ag

Ở 250C, A’ = 0,509

oρ.A'A


69

5.7.2. Phương trình gần đúng bậc hai


Khi nồng độ dung dịch lớn hơn, vượt quá nồng độ giới hạn của định

luật giới hạn (Pt gần đúng bậc hai):

Ở 250C:a – đường kính hữu hiệu trung bình ion

A = 0,509 mol-1/2.dm-1/2

B = 0,329.107 dm1/2.mol-1/2.nm-1

C

C

I.B.1

I.l

aZ.Aγg 2

ii

C

C

I.B.1

I.l

aZ.Z.Aγg


70


Ở 250C, sự gần đúng bậc hai có dạng

I.B.1

I.l

aZ.Ag 2

ii

I.B.1

I.l

aZ.Z.Ag

I1

I.l

2

ii Z.AgI1

I.l

Z.Z.Ag

5.7.2. Phương trình gần đúng bậc hai


71

5.7.3. Phương trình Onsager

Phương trình Onsager

Đối với chất điện ly 2 – 1 trong nước, PT Onsager có dạng:

Đối với chất điện ly 1 – 1 trong nước, PT Debye – Onsager:

C.,

C

η.T.εT.ε2/12/3

- độ thẩm điện môi; - độ nhớt; c – nồng độ


72

Xác định hệ số hoạt độ trung bình ion của FeCl3 khi dung dịch

chứa 0,001 mol FeCl3 và 0,005 mol H2SO4 trong 1000g nước

biết A = 0,509?

Bài tập 16

5.7.4. Bài tập


73

Tính hệ số hoạt độ của các ion Na+, La3+, Cl- và NO3- trong dung

dịch nước ở 298K biết rằng nồng độ NaCl là 0,002M và

La(NO3)3 là 0,001M?

Bài tập 17

5.7.4. Bài tập


74

Tính hệ số hoạt độ trung bình của các dung dịch chứa chất điện

ly riêng biệt và hỗn hợp các muối: MgSO4 0,005mol; LaCl3

0,0010 mol và Na2SO4 0,020 mol?

Bài tập 18

5.7.4. Bài tập


75

Hằng số phân ly nhiệt động của axít -clopicric (HA) ở 298K

bằng 1,47.10-3. Tính độ phân ly của axít này trong dung dịch có

nồng độ 0,01M trong dung dịch lý tưởng và trong sự gần đúng

bậc nhất? Xem hệ số hoạt độ của axít này bằng 1 (HA = 1).

Bài tập 19

5.7.4. Bài tập


CHƯƠNG 5 SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN...

Documents

Transcript of CHƯƠNG 5 SỰ VẬN CHUYỂN ĐIỆN...