XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ FARADAY VÀ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN

THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 2 PHẦN CHUẨN BỊ BÀI 3 XÁC ĐỊNH HẰNG SỐ FARADAY VÀ ĐIỆN TÍCH NGUYÊN TỐ THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN 1 Mục đích Xác định giá trị của hằng số Faraday và điện tích nguyên tố elec.

THÍ NGHI M V T LÝ Đ I C Ệ Ậ Ạ ƯƠ NG 2

PH N CHU N B Ầ Ẩ Ị BÀI 3: XÁC Đ NH H NG S FARADAY VÀ ĐI N TÍCH NGUYÊN Ị Ằ Ố Ệ

T THEO PH Ố ƯƠ NG PHÁP ĐI N PHÂN Ệ

1 M c đích ụ

Xác đ nh giá tr c a h ng s Faraday và đi n tích nguyên t electron d aị ị ủ ằ ố ệ ố ự vào hi n tệ ượng dương c c tan c a đ ng trong dung d ch CuSOự ủ ồ ị 4

2 Gi i thi u chung ớ ệ

Bài thí nghi m đệ ược th c hi n d a trên hi n tự ệ ự ệ ượng dương c c tan, trongự

đó có s trao đ i ion gi a đi n c c dự ổ ữ ệ ự ương và dung d ch đi n phân d n đ n sị ệ ẫ ế ự suy gi m kh i lả ố ượng c a đi n c c này D a vào s gi m kh i lủ ệ ự ự ự ả ố ượng đi n c cệ ự

dương sau m t th i gian xác đ nh, h ng s Faraday cũng nh đi n tích nguyên tộ ờ ị ằ ố ư ệ ố

sẽ được xác đ nh.ị

Trong bài thí nghi m này, sinh viên có th s d ng m t s d ng c sau: ệ ể ử ụ ộ ố ụ ụ

1 Bình đi n phân CuSOệ 4 có các b n c c b ng đ ng (Cu) ả ự ằ ồ

2 Ngu n đi n m t chi u ồ ệ ộ ề

3 Đ ng h b m giây ồ ồ ấ

4 Cân kỹ thu t đi n t ậ ệ ử

5 Đ ng h đo đi n đa năng ồ ồ ệ

6 Dây n i có hai đ u c tố ầ ố

3 An toàn khi th c hi n thí nghi m ự ệ ệ

Trong quá trình làm thí nghi m sinh viên c n chú ý không ch m tay vàoệ ầ ạ các m i n i đi n cũng nh dây đi n tr đ đ m b o đi u ki n an toàn đi n vàố ố ệ ư ệ ở ể ả ả ề ệ ệ

đ chính xác c a phép đo.ộ ủ

4 Tóm t t lý thuy t ắ ế

4.1 Hi n t ệ ượ ng d ươ ng c c tan ự

Trong dung d ch CuSOị 4, các phân t CuSOử 4 b phân ly thành các ion ị Cu2+ và ion SO Khi ch a đ t đi n tr ng ngoài vào, các ion này chuy n đ ng nhi t2-4 ư ặ ệ ườ ể ộ ệ

h n lo n do đó không t o ra dòng đi n Khi nhúng hai đi n c c b ng đ ng (Cu)ỗ ạ ạ ệ ệ ự ằ ồ vào trong dung d ch này, r i n i chúng v i ngu n đi n không đ i ị ồ ố ớ ồ ệ ổ U và ampere kế

A nh Hình 3.1, thì đi n trư ệ ường xu t hi n gi a hai đi n c c làm cho các ionấ ệ ữ ệ ự chuy n đ ng có đ nh hể ộ ị ướng: các ion Cu2+ và SO l n l t d ch chuy n v đi n2-4 ầ ượ ị ể ề ệ

c c âm và đi n c c dự ệ ự ương, t o thành dòng đi n I ch y qua dung d ch đi n phân.ạ ệ ạ ị ệ

Hình 3.1 S đ m ch đi n trong hi n tơ ồ ạ ệ ệ ượng đi n phânệ

T i đi n c c âm: các ion ạ ệ ự Cu2+thu thêm hai electron (đi n t ) thànhệ ử nguyên t Cu bám vào đi n c c âm:ử ệ ự

2+

T i đi n c c dạ ệ ự ương, Cu trên b m t đi n c c dề ặ ệ ự ương nhường 2 electron cho dung d ch đ tr thành ion ị ể ở Cu2+ Các ion SO trong dung d ch d ch chuy n2-4 ị ị ể

đ n đi n c c dế ệ ự ương k t h p v i ế ợ ớ Cu2+ tr thành phân t CuSOở ử 4 hòa tan vào dung

d ch:ị

2+

4

2-4

2+

Cu SO

Cu - 2e Cu

CuSO





K t qu là trong dung d ch điên phân CuSOế ả ị 4 có dòng đi n ệ I ch y quaạ (được đo b ng ampere k ằ ế A)

Nh v y, b n ch t dòng đi n trong ch t đi n phân là dòng d ch chuy n cóư ậ ả ấ ệ ấ ệ ị ể

hướng c a ion dủ ương theo chi u đi n trề ệ ường và ion âm ngược chi u đi nề ệ

trường Đ ng th i khi đi n phân dung d ch CuSOồ ờ ệ ị 4 v i hai đi n c c là Cu thì đi nớ ệ ự ệ

c c dự ương b mòn d n, đi n c c âm thì dày thêm, đây chính là ị ầ ệ ự hi n t ệ ượ ng d ươ ng

c c tan ự

C n l u ý r ng quá trình đi n phân trong trầ ư ằ ệ ường h p này, đi n c c dợ ệ ự ương

m t đi bao nhiêu thì đi n c c âm nh n đấ ệ ự ậ ược b y nhiêu, do đó n ng đ dungấ ồ ộ

d ch là không thay đ i Hi n tị ổ ệ ượng dương c c tan ch x y ra trong các trự ỉ ả ường

h p đi n phân dung d ch mu i kim lo i v i đi n c c dợ ệ ị ố ạ ớ ệ ự ương làm b ng chính kimằ

lo i đó.ạ

4.2 H ng s Faraday ằ ố

H ng s Faraday th hi n đ l n đi n tích trên m t mole electron Hi nằ ố ể ệ ộ ớ ệ ộ ệ

t i, giá tr c a h ng s Faraday là:ạ ị ủ ằ ố

9,64853399 24 10 Cmol

Theo đ nh lu t Faraday, kh i lị ậ ố ượng m c a ch t thoát ra (ho c bám vào)ủ ấ ặ

đi n c c t l thu n v i đệ ự ỷ ệ ậ ớ ương lượng hoá h c ọ A/n c a ch t đó; trong đó ủ ấ A là

nguyên t lử ượng và n là hoá tr c a ch t đang xét, đ ng th i t l thu n v i đi nị ủ ấ ồ ờ ỷ ệ ậ ớ ệ

lượng q được chuy n qua dung d ch đi n phân:ể ị ệ

(3.3)

Trong đó k là h s t l có cùng giá tr đ i v i m i ch t, đ i lệ ố ỷ ệ ị ố ớ ọ ấ ạ ượng F = 1/k chính là h ng s Faraday.ằ ố

T đ nh nghĩa v cừ ị ề ường đ dòng đi n, ộ ệ q I t , v i ớ t là th i gian có dòngờ

đi n có cệ ường đ ộ I không đ i ch y qua dung d ch đi n phân T (3.3) ta suy ra:ổ ạ ị ệ ừ

1 A

m n



(3.4) Trong công th c (3.4), ta th y cứ ấ ường đ dòng đi n ộ ệ I và th i gian đi nờ ệ

phân t có th l n lể ầ ượt được đo b ng ampere k và đ ng h b m giây Lằ ế ồ ồ ấ ượng

đ ng nguyên ch t thoát ra t c c dồ ấ ừ ự ương tan vào dung d ch đi n phân có thị ệ ể

được đo b ng cân T đó, ta có th xác đ nh đằ ừ ể ị ược h ng s Faraday ằ ố F.

5 Chu n b ẩ ị

Nhi m v h c t p 1: ệ ụ ọ ậ T n i dung m c 4.2, sinh viên hãy xác l p công th c ừ ộ ụ ậ ứ xác đ nh đi n tích nguyên t d a vào h ng s Faraday ị ệ ố ự ằ ố F.

Theo đ nh lu t Faraday, kh i lị ậ ố ượng m c a ch t thoát ra (ho c bám vào)ủ ấ ặ

đi n c c đệ ự ược xác đ nh: ị

1

m k q q

n F n

(1)

V i: F là h ng s Faraday.ớ ằ ố

A là nguyên t lử ượng

n là hóa tr c a ch t đang xét.ị ủ ấ Theo công th c (1) trên, mu n làm thoát kh i đi n c c m t kh i lứ ố ỏ ệ ự ộ ố ượng gam

c a m t ch t, c n ph i có m t đi n lủ ộ ấ ầ ả ộ ệ ượng culông chuy n qua dung d ch đi nể ị ệ phân Nh v y, mu n làm thoát kh i đi n c c A ư ậ ố ỏ ệ ự gam cùng ch t đó, c n ph i cóấ ầ ả

m t đi n lộ ệ ượng b ng ằ culong

Đi n lệ ượng culong chính là lượng đi n tích c a các ion có trong A ệ ủ kilogam c aủ

m i ch t chuy n qua dung d ch đi n phân Mà s nguyên t có trong A ỗ ấ ể ị ệ ố ử kilogam

m i ch t là s ỗ ấ ố Avôgađrô nguyên t /mol ử Vì v y, đ l n đi n tích c a ion hóa tr 1ậ ộ ớ ệ ủ ị

đượ ọc g i là đi n tích nguyên t e:ệ ố

T đó suy ra: đi n tích c a ion hóa tr 2 làừ ệ ủ ị 2e, c a ion hóa tr 3 là ủ ị 3e,… Đi uề này ch ng t r ng đi n tích có c u t o gián đo n Rõ ràng, n u xác đ nh đứ ỏ ằ ệ ấ ạ ạ ế ị ược

h ng s Faraday, ta sẽ tìm đằ ố ược đi n tích nguyên t ệ ố e

Tóm l i: ạ Công th c xác đ nh đi n tích nguyên t d a vào h ng s Faraday ứ ị ệ ố ự ằ ố F

là:

Nhi m v h c t p 2: ệ ụ ọ ậ Sinh viên quan sát các b d ng c thí nghi m và th c ộ ụ ụ ệ ự

hi n nh ng yêu c u sau đây: ệ ữ ầ

1 Nêu công d ng c a t ng thi t b đụ ủ ừ ế ị ược mô t trong b ng 3.1 ả ả

2 Trong thí nghi m c n s d ng ampere k thang đo nào? Xác đ nh gi i h nệ ầ ử ụ ế ở ị ớ ạ

đo và đ phân gi i đ ng h đa năng v i ch c năng là ampere k ộ ả ồ ồ ớ ứ ế

3 Xác đ nh gi i h n đo và đ phân gi i c a cân đi n t Trình bày cách s ị ớ ạ ộ ả ủ ệ ử ử

d ng cân đi n t ụ ệ ử

1 Trình bày công d ng c a các d ng c trong b ng 3.1 ụ ủ ụ ụ ả

Tên d ng ụ

Bình đi nệ

phân CuSO4

có các b nả

c c b ngự ằ

đ ng (Cu)ồ

T o môi trạ ường

đi n phân đ th cệ ể ự

hi n thí nghi m.ệ ệ

Ngu n đi nồ ệ

m t chi uộ ề

Cung c p ngu nấ ồ

đi n đ (đi n phân)ệ ể ệ hình thành đi nệ

trường

Đ ng hồ ồ

b m giâyấ

Đo th i gian đi nờ ệ phân

Cân đi n tệ ử

Xác đ nh kh i lị ố ượng

dương c c trự ước và sau thí nghi m.ệ

Đ ng h đoồ ồ

đa năng

Làm ampere k m t ế ộ

chi u ề

Đo dòng đi nệ

m t chi u.ộ ề

Dây n i cóố

hai đ uầ

c mắ

N i các thi t bố ế ị thành m ch đi nạ ệ

kín

Máy s yấ

đi nệ

S y khô dấ ương c cự

đ cân chính xác.ể

2 Trong thí nghi m c n s d ng ampere k thang đo nào? Xác ệ ầ ử ụ ế ở

đ nh gi i h n đo và đ phân gi i đ ng h đa năng v i ch c năng là ampere ị ớ ạ ộ ả ồ ồ ớ ứ

k ế

Trong thí nghi m c n s d ng ampere k thang đo 20A-DC ệ ầ ử ụ ế ở

Gi i h n đo và đ phân gi i đ ng h đa năng v i ch c năng là ampere kớ ạ ộ ả ồ ồ ớ ứ ế

l n lầ ượt là 20A và 0,001A

3 Xác đ nh gi i h n đo và đ phân gi i c a cân đi n t Trình bày ị ớ ạ ộ ả ủ ệ ử cách s d ng cân đi n t ử ụ ệ ử

Cân đi n t có GHĐ: 200g; Đ phân gi i là 0,01g.ệ ử ộ ả

Cách s d ng cân đi n t :ử ụ ệ ử

1 Ki m tra thăng b ng, n u l ch thì đi u ch nh l i Đĩa cân đ không t i,ể ằ ế ệ ề ỉ ạ ể ả trong h p che gió.ộ

2 Chu n b cân: c m phích đi n c a cân vào đi n lẩ ị ắ ệ ủ ổ ệ ưới 220V B t công t cậ ắ

c aủ

cân: xu t hi n s “0.00” cân s n sàng ho t đ ngấ ệ ố ẵ ạ ộ

3 Trong trường h p đĩa cân không t i mà màn hình v n ch l ch kh i đi mợ ả ẫ ỉ ệ ỏ ể

“0.00”, thì n phím “TARE” (tr bì) đ quy v “0.00”ấ ừ ể ề

4 Đ cân m t v t, đ t m t mi ng lót m ng ho c m t đĩa th y tinh nh lênể ộ ậ ặ ộ ế ỏ ặ ộ ủ ỏ

m t cân làm “bì” Kh i lặ ố ượng bì sẽ hi n th trên màn hình Nh n nútể ị ấ

“TARE” đ tr bì, trên màn hình sẽ hi n l i dãy s “0,00” Bây gi đ t v tể ừ ệ ạ ố ờ ặ ậ

c n cân lên “bì”, đ y n p che gió, giá tr kh i lầ ậ ắ ị ố ượng t nh m c a v t sẽ hi nị ủ ậ ể

th trên màn hình Sau khi nh c v t và bì ra kh i m t cân, trên màn hìnhị ấ ậ ỏ ặ

xu t hi n gía tr âm c a bì n nút “TARE” sẽ tr l i v “0.00”ấ ệ ị ủ Ấ ở ạ ề

5 K t thúc phép cân, t t công t c và rút phích c m đi n ra kh i đi n 220V,ế ắ ắ ắ ệ ỏ ổ ệ

ph cân b ng m t áo che b i.ủ ằ ộ ụ

Nhi m v h c t p 3: ệ ụ ọ ậ Sinh viên th c hi n thì nghi m và hoàn thành nh ng ự ệ ệ ữ yêu c u sau đây:ầ

1 Trình bày m c đích thí nghi m ho t đ ng h c t pụ ệ ở ạ ộ ọ ậ

2 Đ đo ể F, e, sinh viên c n đo các đ i lầ ạ ượng nào?

3 Vẽ s đ m ch đi n.ơ ồ ạ ệ

4 Trình bày ng n g n các bắ ọ ước ti n hành thí nghi mế ệ

1 Trình bày m c đích c a ho t đ ng h c t p ụ ủ ạ ộ ọ ậ

Xác đ nh đị ược các công d ng c a t t c các d ng c thí nghi m Bi t cách sụ ủ ấ ả ụ ụ ệ ế ử

d ng cân đi n t ụ ệ ử

Trình bày được cách b trí thí nghi m, th c hi n và l y đố ệ ự ệ ấ ượ ố ệc s li u, x lý vàử tính toán được F, e

2 Đ xác đ nh ể ị F, e sinh viên c n đo các đ i lầ ạ ượ ng nào?

Đ đo ể F e, , ta c n đo nh ng đ i lầ ữ ạ ượng sau: kh i lố ượng dương c c trự ước  m1

và sau khi đi n phân ệ  m2 , cường đ dòng đi n ộ ệ I, th i gian x y ra đi n phân ờ ả ệ t.

3 Vẽ s đ m ch đi n ơ ồ ạ ệ

Hình 5.1 S đ m ch đi nơ ồ ạ ệ

4 Trình bày ng n g n các b ắ ọ ướ c ti n hành thí nghi m ế ệ

- B ướ c 1: M c m ch đi n theo s đ hình 5.1 Đi u ch nh đ ng h đa năngắ ạ ệ ơ ồ ề ỉ ồ ồ

m c 20A-DC

ở ứ

- B ướ c 2:

+ V n 2 núm xoay CURRENT đ tăng d n cặ ể ầ ường đ dòng đi n ộ ệ I ch y quaạ bình đi n phân cho t i khi ampek A ch m t giá tr ệ ớ ế ỉ ộ ị I không đ i b ng ổ ằ 1A.

+ Ng t dòng đi n.ắ ệ

+ Tháo b n c c dả ự ương đ ng ra kh i bình đi n phân Sau đó r a s ch, s y khôồ ỏ ệ ử ạ ấ

và đem cân 3 l n ầ m1

- B ướ c 3: L p b n c c anot vào bình đi n phân, và đ t nó song song v iắ ả ự ệ ặ ớ hai b n c c catot B t công t c c a ngu n đi n B m đ ng h đ đoả ự ậ ắ ủ ồ ệ ấ ồ ồ ể kho ng th i gian ả ờ t c a quá trình đi n phân ủ ệ

- B ướ c 4: Ch cho quá trình đi n phân di n ra trong 20 phút.ờ ệ ễ

Chú ý: C n gi cho dòng đi n luôn luôn không đ i và b ng ầ ữ ệ ổ ằ I = 1A trong su tố kho ng th i gian đi n phân Thả ờ ệ ường xuyên theo dõi trên ampe k , n u c n thìế ế ầ

đi u ch nh núm xoay c a ngu n đi n ề ỉ ủ ồ ệ U đ gi cho ể ữ I không đ i.ổ

- B ướ c 5:

+ Ng t đi n, nh nhàng tháo dắ ệ ẹ ương c c anot ra kh i bình đi n phân R aự ỏ ệ ử

s ch và s y khô ạ ấ

+ Dùng cân đi n t đ đo kh i lệ ử ể ố ượng dương c c lúc này ự  m2 Th c hi n đoự ệ

và l y s li u 3 l n.ấ ố ệ ầ

Chú ý: Vì anôt làm b ng đ ng kỹ thu t có t l đ ng nguyên ch t (đ tinhằ ồ ậ ỷ ệ ồ ấ ộ khi t) b ng 98%, nên kh i lế ằ ố ượng đ ng nguyên ch t thoát ra t b n c c anôt vàồ ấ ừ ả ự tan vào dung d ch trong quá trình đi n phân đị ệ ược tính theo công th c :ứ

- B ướ c 6. Đ c và ghi các s li u sau đây vào b ng s li uọ ố ệ ả ố ệ

C p chính xác ấ  và giá tr c c đ i ị ự ạ I m trên thang đo c a Ampere k Aủ ế

Đ chính xác ộ m dc c a cân kỹ thu tủ ậ

Đ chính xác ộ t c a đ ng h b m giâyủ ồ ồ ấ

Đ ng ồ  Cu có nguyên t lử ượng A63,540 và hóa tr ịn2

Nhi m v h c t p 4: ệ ụ ọ ậ Phân tích nh ng u đi m trong vi c s d ng 3 đi n c cữ ư ể ệ ử ụ ệ ự

so v i 2 đi n c c.ớ ệ ự

- Khi s d ng 3 đi n c c v i anode gi a thì các dử ụ ệ ự ớ ở ữ ương c c tan đ u, tránhự ề

trường h p mi ng đ ng b gãy và tránh trợ ế ồ ị ường h p t p ch t trong thanhợ ạ ấ

đ ng nh hồ ả ưởng đ n dòng đi n.ế ệ

- Cường đ đi n trộ ệ ường E m nh h n, dòng d ch chuy n các ion n đ nhạ ơ ị ể ổ ị

h n.ơ