1. Định luật điện phân Faraday là gì?

Định luật điện phân Faraday là một trong những định luật quan trọng trong lĩnh vực điện hóa và hóa học, được sáng lập bởi nhà khoa học nổi tiếng người Anh là Michael Faraday vào thế kỷ 19. Định luật này chứng minh mối quan hệ giữa lượng chất bị điện phân và lượng điện tích cần thiết để điện phân chất đó. Định luật điện phân Faraday đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc hiểu về sự tương tác giữa điện và hóa học, và nó có tầm ảnh hưởng lớn đối với nhiều khía cạnh của khoa học và công nghiệp

Lịch sử hình thành của Định luật điện phân Faraday và công trình của Michael Faraday trong lĩnh vực điện hóa là một phần quan trọng của sự phát triển của khoa học. Đây là một câu chuyện hấp dẫn về khám phá, sáng tạo và nỗ lực của một nhà khoa học vĩ đại.

Michael Faraday, một nhà khoa học người Anh, sinh ngày 22 tháng 9 năm 1791, được coi là một trong những nhà điện hóa và nhiệt động học vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học. Faraday đã không học nhiều về toán học hoặc lý thuyết vật lý cao cấp, nhưng tài năng tự nhiên và sự tò mò sẽ đưa anh ta vào cuộc hành trình khám phá khoa học đầy kỳ diệu.

Faraday bắt đầu sự nghiệp khoa học của mình như một học viên học viện hoàng gia năm 1812, nơi anh ta làm việc như một trợ lý cho nhà khoa học và triết gia nổi tiếng tại thời điểm đó là Sir Humphry Davy. Dưới sự hướng dẫn của Davy, Faraday đã có cơ hội tham gia vào các thí nghiệm quan trọng và nghiên cứu về điện hóa. Đây là nơi Faraday đón nhận kiến thức và kỹ năng cơ bản về điện hóa mà sau này anh ta sẽ phát triển thành các định luật nổi tiếng của mình.

Năm 1831, Faraday thực hiện một trong những thí nghiệm quan trọng nhất của cuộc đời mình, mà nó đã đánh dấu sự khám phá của nguyên tắc cơ bản của điện động cảm ứng điện từ. Trong thí nghiệm này, anh ta dùng một cuộn dây dẫn điện và một nam châm để tạo ra hiện tượng điện động trong dây dẫn khi nam châm được di chuyển gần cuộn dây. Đây là khám phá cơ bản trong lĩnh vực điện từ và đã dẫn đến việc phát triển máy phát điện và biến áp, có tác động lớn đối với công nghiệp và cuộc sống hàng ngày.

Sau thành công của thí nghiệm điện động cảm ứng điện từ, Faraday tiếp tục nghiên cứu về điện hóa và đưa ra hai định luật quan trọng trong lĩnh vực này, được biết đến như Định luật điện phân Faraday.

Tổng kết, công trình của Michael Faraday trong việc phát triển Định luật điện phân Faraday và công thức Faraday đã mang lại những kiến thức quan trọng và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện hóa và hóa học. Faraday là một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất trong lịch sử khoa học và kế thừa của anh ta đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển của nền khoa học và công nghiệp.

2.Công thức của định luật điện phân Faraday

Định luật điện phân Faraday thứ nhất (Quan hệ giữa khối lượng chất và điện lượng):

Định luật này chỉ ra rằng khối lượng (m) của chất bị điện phân là tỉ lệ thuận với điện lượng (q) chạy qua bình điện phân. Cụ thể, chúng ta có phương trình:

m=k⋅q

Trong đó:

m là khối lượng của chất bị điện phân, được tính bằng gram (g).
q là lượng điện tích chạy qua bình điện phân, có đơn vị là Coulomb (C).
k là đương lượng điện hoá của chất, đơn vị là gam trên mỗi Coulomb (g/C).

Định luật điện phân Faraday thứ hai (Quan hệ giữa đương lượng điện hoá và đương lượng hoá học):

Định luật này nêu rõ rằng đương lượng điện hoá (k) của một nguyên tố hoặc hợp chất là tỉ lệ thuận với đương lượng hoá học (A) của chất đó. Cụ thể, phương trình cho định luật này là:
k=A⋅nF

Trong đó:

k là đương lượng điện hoá của chất, được tính bằng gam trên mỗi Coulomb (g/C).
F là số Fa-ra-đây, có giá trị là khoảng 96494 C/mol, và thường được làm tròn thành 96500 C/mol cho đơn giản.
A là khối lượng mol nguyên tử của nguyên tố tạo thành ion, được tính bằng gram/mol (g/mol).
n là hóa trị của nguyên tố tạo ra ion.

Công thức Fa-ra-đây:

Bằng cách kết hợp hai định luật Fa-ra-đây, chúng ta có thể tạo ra công thức Fa-ra-đây tổng quát cho quá trình điện phân:

m=(F⋅A⋅n⋅I⋅t)/z

Trong đó:

m là khối lượng của chất bị điện phân, được tính bằng gram (g).
F là số Fa-ra-đây, có giá trị là khoảng 96494 C/mol.
A là khối lượng mol nguyên tử của nguyên tố tạo thành ion, được tính bằng gram/mol (g/mol).
n là hóa trị của nguyên tố tạo ra ion.
I là cường độ dòng điện chạy qua bình điện phân, được tính bằng ampe (A).
t là thời gian dòng điện chạy qua bình điện phân, được tính bằng giây (s).
z là số electron tham gia vào quá trình điện phân.

Công thức Fa-ra-đây này là một công cụ mạnh mẽ trong việc tính toán và hiểu quá trình điện phân của các chất và đã đóng góp quan trọng cho nhiều lĩnh vực trong hóa học và công nghiệp

Kết hợp hai định luật và công thức Faraday:

Kết hợp Định luật Thứ Nhất và Định luật Thứ Hai, chúng ta có công thức Faraday hoàn chỉnh:

m = (A.q) / F

Trong đó:

m là khối lượng của chất được giải phóng hoặc kết tủa ở điện cực, tính bằng gram.
A là khối lượng mol nguyên tử của nguyên tố tạo thành ion.
q là lượng điện chuyển qua bình điện phân, tính bằng Coulomb (C).
F là số Fa-ra-đây, F = 96494 C/mol, thường lấy chắn là F = 96500 C/mol.

Công thức Faraday này có tác động sâu rộng trong lĩnh vực hóa học và điện hóa. Nó đã giúp xác định khối lượng các chất tham gia vào các phản ứng điện phân và đã đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khối lượng mol của các nguyên tố hóa học. Công trình của Faraday đã định hình nên nền tảng cho sự phát triển của điện hóa và đã góp phần quan trọng vào sự hiểu biết của chúng ta về tương tác giữa điện năng và các phản ứng hóa học.

3. Bài tập vận dụng

Bài 1: Một bình điện phân đựng dung dịch AgNO3 có điện trở là Ω. Anot của bình điện phân bằng bạc Ag và hiệu điện thế đặt vào hai điện cực của bình là 10V. Tính khối lượng m của bạc bám vào catot sau 16 phút 5 giây. Khối lượng nguyên tử bạc là A = 108 và hoá trị n = 1: Trong bài toán này, chúng ta có các thông số sau:

Điện trở của bình điện phân (R) = 2,5 Ω
Hiệu điện thế giữa hai điện cực (U) = 10 V
Thời gian điện phân (t) = 16 phút 5 giây = 965 giây
Khối lượng nguyên tử bạc (A) = 108 g/mol
Hoá trị của bạc (n) = 1

Bước 1: Tính cường độ dòng điện (I) chạy qua bình điện phân bằng công thức I = U/R. I = 10 V / 2,5 Ω = 4 A

Bước 2: Sử dụng công thức Định luật điện phân Faraday: m=F1×nA×I×t
=196500 C/mol×108 g/mol1×4 A×965 s=4.32 gm=96500C/mol1×1108g/mol×4A×965s=4.32g

Khối lượng bạc bám vào catot sau 16 phút 5 giây là 4,32 g. Đáp án là 4,32 g.

Bài 2: Người ta muốn bóc một lớp đồng dày d = 10µm trên một bản đồng diện tích S = 1cm2 bằng phương pháp điện phân. Cường độ dòng điện là 0,010A. Tính thời gian cần thiết để bóc được lớp đồng. Cho biết đồng có khối lượng riêng D = 8900 kg/m3, khối lượng mol 64g/mol và hoá trị 2. Trong bài toán này, chúng ta có các thông số sau:

Độ dày của lớp đồng (d) = 10 µm = 10−510−5 m
Diện tích bản đồng (S) = 1 cm² = 1×10−41×10−4 m²
Cường độ dòng điện (I) = 0,010 A
Khối lượng riêng của đồng (D) = 8900 kg/m³
Khối lượng mol của đồng (A) = 64 g/mol
Hoá trị của đồng (n) = 2

Bước 1: Tính khối lượng đồng cần bóc đi dựa trên độ dày, diện tích và khối lượng riêng: 8900 kg/m3⋅(1×10−4 m2)⋅(10×10−6 m)=8,9×10−6 kg=8,9×10−3 gm=D⋅V=D⋅S⋅d=8900kg/m3⋅(1×10−4m2)⋅(10×10−6m)=8,9×10−6kg=8,9×10−3g

Bước 2: Sử dụng công thức Định luật điện phân Faraday:
m=F⋅nA⋅I⋅t
=8,9×10−3 g⋅96500 C/mol⋅264 g/mol⋅0,010 A=2683 st=A⋅Im⋅F⋅n=64g/mol⋅0,010A8,9×10−3g⋅96500C/mol⋅2=2683s

Thời gian cần thiết để bóc được lớp đồng là 2683 giây.

Bài 3: Điện phân Al2O3 nóng chảy với dòng điện cường độ 9,65A trong thời gian 3000 giây. Khối lượng nhôm thu được là Trong bài toán này, chúng ta có các thông số sau:

Cường độ dòng điện (I) = 9,65 A
Thời gian điện phân (t) = 3000 giây
Khối lượng mol của nhôm (A) = 27 g/mol
Hoá trị của nhôm (n) = 3

Sử dụng công thức Định luật điện phân Faraday: 27 g/mol⋅9,65 A⋅3000 s96494 C/mol⋅3=2,7 gm=F⋅nA⋅I⋅t=96494C/mol⋅327g/mol⋅9,65A⋅3000s=2,7g

Khối lượng nhôm thu được là 2,7 g. Đáp án là C.

4. Ý Nghĩa và Ứng Dụng

Định luật điện phân Faraday có ý nghĩa lớn đối với lĩnh vực hóa học và điện hóa. Điều này đã giúp làm sáng tỏ nhiều khía cạnh của quá trình điện phân và tạo ra cơ sở lý thuyết cho nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm:

- Quy trình điện ly và tạo ra các chất tinh khiết: Định luật điện phân Faraday đã giúp cho ngành công nghiệp hóa chất tạo ra các hợp chất tinh khiết thông qua quy trình điện ly. Các quá trình như điện phân nước để sản xuất khí hydrogen và khí oxi, hay điện phân các muối để tạo ra các kim loại tinh khiết, đều dựa trên nguyên tắc của định luật này.

- Nghiên cứu và phân tích hóa học: Định luật điện phân Faraday đã giúp nghiên cứu và phân tích hóa học trở nên chính xác hơn. Nó được sử dụng để xác định khối lượng các chất trong các phản ứng hóa học và làm cho các phép đo trở nên chính xác hơn.

- Ngành điện hóa và điện tử: Định luật này có ứng dụng quan trọng trong việc thiết kế và hoạt động của nhiều thiết bị điện hóa và điện tử, bao gồm cả pin và ắc quy. Nó là cơ sở cho việc tính toán hiệu suất và thời gian hoạt động của các thiết bị này.

- Nghiên cứu hóa học và vật lý: Định luật điện phân Faraday đã giúp mở ra những cánh cửa mới trong nghiên cứu hóa học và vật lý. Nó là một phần quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu về quá trình điện phân và đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu sâu hơn về tương tác giữa điện và chất lượng.

Trong tổng quan, Định luật điện phân Faraday đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong hiểu biết về điện hóa và hóa học. Định luật này đã tạo ra cơ sở lý thuyết cho nhiều ứng dụng thực tế quan trọng và vẫn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau cho đến ngày nay

>>> Xem thêm Este là gì? Công thức cấu tạo, tính chất hóa học và bài tập về este?

Liên hệ 1900.6162 hoặc email: lienhe@luatminhkhue.vn để được hỗ trợ giải đáp

Trân trọng!