Dòng điện trong chất điện phân

Dòng điện trong chất điện phân luôn liên quan đến sự chuyển dời vật chất. Ví dụ, trong kim loại và chất bán dẫn, vật chất khi dòng điện chạy qua chúng không được truyền đi, bởi vì trong các môi trường này, các electron và lỗ trống là các hạt tải điện, nhưng trong các chất điện phân, chúng được truyền đi. Điều này là do trong chất điện phân, các ion tích điện dương và âm của chất đóng vai trò là chất mang điện tích tự do chứ không phải là electron hay lỗ trống.

Các hợp chất nóng chảy của nhiều kim loại, cũng như một số chất rắn, thuộc về chất điện phân. Nhưng đại diện chính của loại dây dẫn này, được sử dụng rộng rãi trong công nghệ, là dung dịch nước của axit, bazơ và muối vô cơ.

Chất khi có dòng điện chạy qua môi trường chất điện phân thì được giải phóng trên các điện cực. Hiện tượng này được gọi là điện phân… Khi có dòng điện chạy qua chất điện phân, các ion mang điện tích dương và âm của chất đó chuyển động ngược chiều nhau đồng thời.

Các ion tích điện âm (anion) lao đến điện cực dương của nguồn hiện tại (cực dương) và các ion tích điện dương (cation) đến cực âm của nó (cực âm).

Nguồn ion trong dung dịch axit, bazơ và muối là các phân tử trung tính, một số phân tách dưới tác dụng của lực điện ứng dụng. Hiện tượng phân tách các phân tử trung tính này được gọi là phân ly điện phân. Ví dụ, đồng clorua CuCl2 bị phân hủy khi phân ly trong dung dịch nước thành các ion clorua (tích điện âm) và đồng (tích điện dương).

Khi các điện cực được kết nối với nguồn điện, điện trường bắt đầu tác động lên các ion trong dung dịch hoặc tan chảy, khi các anion clo di chuyển đến cực dương (điện cực dương) và các cation đồng đến cực âm (điện cực âm).

Khi đến điện cực âm, các ion đồng tích điện dương được trung hòa bởi các electron dư thừa ở cực âm và trở thành các nguyên tử trung tính lắng đọng trên cực âm. Khi đến điện cực dương, các ion clo tích điện âm tặng một electron trong quá trình tương tác với điện tích dương trên cực dương. Trong trường hợp này, các nguyên tử clo trung tính được hình thành kết hợp theo cặp để tạo thành các phân tử Cl2 và clo được giải phóng dưới dạng bọt khí ở cực dương.

Thông thường, quá trình điện phân đi kèm với sự tương tác của các sản phẩm phân ly (đây được gọi là phản ứng thứ cấp), khi các sản phẩm phân hủy được giải phóng trên các điện cực tương tác với dung môi hoặc trực tiếp với vật liệu điện cực. Lấy ví dụ, quá trình điện phân dung dịch nước của đồng sunfat (đồng sunfat - CuSO4).Trong ví dụ này, các điện cực sẽ được làm bằng đồng.

Phân tử đồng sunfat phân ly để tạo thành ion đồng tích điện dương Cu+ và ion sunfat tích điện âm SO4-. Các nguyên tử đồng trung tính được lắng đọng dưới dạng chất rắn lắng đọng trên cực âm. Bằng cách này, thu được đồng tinh khiết về mặt hóa học.

Ion sunfat nhường hai electron cho điện cực dương và trở thành gốc trung tính SO4, gốc này ngay lập tức phản ứng với cực dương bằng đồng (phản ứng cực dương thứ cấp). Sản phẩm phản ứng ở cực dương là đồng sunfat, đi vào dung dịch.

Nó chỉ ra rằng khi một dòng điện chạy qua dung dịch nước của đồng sunfat, cực dương của đồng chỉ đơn giản là dần dần hòa tan và đồng kết tủa trên cực âm, trong trường hợp này, nồng độ của dung dịch nước của đồng sunfat không thay đổi.

Năm 1833, nhà vật lý người Anh Michael Faraday, trong quá trình làm việc thực nghiệm, đã thiết lập định luật điện phân, hiện được đặt theo tên ông.

Định luật Faraday cho phép bạn xác định lượng sản phẩm chính được giải phóng trên các điện cực trong quá trình điện phân. Định luật phát biểu như sau: “Khối lượng m của chất thoát ra trên điện cực trong quá trình điện phân tỉ lệ thuận với điện tích Q đã đi qua bình điện phân”.

Hệ số tỉ lệ k trong công thức này được gọi là đương lượng điện hoá.

Khối lượng của chất thoát ra trên điện cực trong quá trình điện phân bằng tổng khối lượng của tất cả các ion đi đến điện cực này:

Công thức chứa điện tích q0 và khối lượng m0 của một ion, cũng như điện tích Q đi qua chất điện phân. N là số ion đến điện cực khi điện tích Q đi qua chất điện phân.Do đó, tỷ lệ khối lượng của ion m0 với điện tích q0 của nó được gọi là đương lượng điện hóa của k.

Vì điện tích của một ion bằng tích số của hóa trị của chất đó và điện tích cơ bản, nên đương lượng hóa học có thể được biểu diễn dưới dạng sau:

Trong đó: Na là hằng số Avogadro, M là khối lượng mol của chất, F là hằng số Faraday.

Trên thực tế, hằng số Faraday có thể được định nghĩa là lượng điện tích phải đi qua chất điện phân để giải phóng một mol chất đơn trị trên điện cực. Khi đó định luật Faraday về điện phân có dạng:

Hiện tượng điện phân được sử dụng rộng rãi trong sản xuất hiện đại. Ví dụ, nhôm, đồng, hydro, mangan điôxit và hydro peroxide được sản xuất công nghiệp bằng điện phân. Nhiều kim loại được khai thác từ quặng và xử lý bằng điện phân (electrorefining và electroextraction).

Ngoài ra, nhờ điện phân, nguồn dòng điện hóa học… Điện phân được sử dụng trong xử lý nước thải (chiết xuất điện, đông tụ điện, tuyển nổi điện). Nhiều chất (kim loại, hydro, clo, v.v.) thu được bằng cách điện phân cho mạ điện và mạ điện.

Xem thêm:Sản xuất hydro bằng điện phân nước - công nghệ và thiết bị