Máy tính Điện phân - Khối lượng Lắng đọng (Định luật Faraday)

Máy tính điện phân là gì?

Máy tính điện phân xác định khối lượng kim loại lắng đọng hoặc hòa tan tại một điện cực trong quá trình điện phân. Điện phân là quá trình sử dụng dòng điện để thúc đẩy một phản ứng hóa học vốn không tự xảy ra. Máy tính áp dụng định luật điện phân Faraday, sử dụng cường độ dòng điện, thời gian và các tính chất của kim loại được chọn.

Cách tính khối lượng trong điện phân: công thức định luật Faraday

Định luật Faraday phát biểu rằng khối lượng chất tạo thành tại một điện cực tỉ lệ với lượng điện tích đi qua điện cực đó. Điện tích bằng cường độ dòng điện nhân với thời gian, nên công thức thường được viết như sau:

$m = \frac{I \times t \times M}{z \times F}$

• m — khối lượng chất tạo thành hoặc hòa tan, tính bằng gam
• I — cường độ dòng điện, tính bằng ampe (A)
• t — thời gian, tính bằng giây (s)
• M — khối lượng mol của chất, tính bằng gam trên mol (g/mol)
• z — hóa trị, tức số electron được trao đổi trên mỗi ion
• F — hằng số Faraday, 96.485 culông trên mol (C/mol)

Hằng số Faraday được đặt theo tên nhà khoa học người Anh Michael Faraday. Đây là điện tích do một mol electron mang.

Vì sao hóa trị quan trọng

Hóa trị phụ thuộc vào điện tích của ion. Một ion đồng, Cu²⁺, cần hai electron để trở thành nguyên tử đồng, nên hóa trị của nó là 2. Một ion bạc, Ag⁺, chỉ cần một electron, nên hóa trị của nó là 1. Một ion vàng, Au³⁺, cần ba electron, nên hóa trị của nó là 3. Hóa trị càng cao thì cần càng nhiều electron cho mỗi nguyên tử, vì vậy khối lượng lắng đọng với cùng một lượng điện tích sẽ càng nhỏ.

Khối lượng mol và hóa trị của các kim loại phổ biến

Ví dụ minh họa

Một dòng điện 1 ampe đi qua dung dịch đồng sunfat trong 1 giờ (3.600 giây). Có bao nhiêu đồng lắng đọng tại catot, là điện cực nơi xảy ra quá trình khử?

• I = 1 A
• t = 3.600 s
• M = 63,55 g/mol (đồng)
• z = 2 (Cu²⁺)
• F = 96.485 C/mol

$m = \frac{1 \times 3600 \times 63.55}{2 \times 96485} = \frac{228780}{192970} \approx 1.18557 \text{ g}$

Khoảng 1,19 gam đồng lắng đọng.

Ví dụ thứ hai: một dòng điện 2 ampe đi qua dung dịch bạc nitrat trong 10 phút (600 giây). Bạc có khối lượng mol là 107,87 g/mol và hóa trị là 1.

$m = \frac{2 \times 600 \times 107.87}{1 \times 96485} \approx 1.34160 \text{ g}$

Khoảng 1,34 gam bạc lắng đọng, nhiều hơn trong ví dụ về đồng, chủ yếu vì bạc có hóa trị thấp hơn.

Cách sử dụng máy tính

Nhập cường độ dòng điện theo ampe và thời gian theo giây, sau đó chọn một kim loại từ danh sách. Kết quả được cập nhật tự động. Các quy đổi thời gian phổ biến: 1 phút = 60 giây, 1 giờ = 3.600 giây, 1 ngày = 86.400 giây.

Ứng dụng của điện phân

Mạ điện phủ một kim loại bằng một lớp mỏng của kim loại khác, chẳng hạn mạ vàng cho đồ trang sức hoặc mạ niken cho các chi tiết bằng thép để chống ăn mòn. Luyện kim bằng điện phân sử dụng điện phân để tinh chế kim loại; đồng được tinh chế theo cách này có thể đạt độ tinh khiết trên 99,9%. Thu hồi kim loại bằng điện phân tách các kim loại như kẽm ra khỏi dung dịch được tạo từ quặng nghiền. Nhôm cũng được sản xuất theo cách tương tự, nhưng từ alumin hòa tan trong bể muối nóng chảy thay vì nước. Điện phân nước phân tách nước thành khí hydro và oxy, một phương pháp được dùng để sản xuất nhiên liệu hydro.

Định luật Faraday cho biết khối lượng tối đa về mặt lý thuyết. Các quy trình thực tế thường lắng đọng ít hơn một chút, vì một phần dòng điện thúc đẩy các phản ứng phụ thay vì phản ứng chính. Tỉ lệ này được gọi là hiệu suất dòng điện và thường ở mức 90–98% trong công nghiệp mạ điện.

Lịch sử của định luật Faraday

Vào 1800, Alessandro Volta chế tạo pin đầu tiên, lần đầu tiên cung cấp cho các nhà khoa học một nguồn dòng điện ổn định. Cũng trong năm đó, William Nicholson và Anthony Carlisle sử dụng nó để phân tách nước thành hydro và oxy, một minh chứng ban đầu cho hiện tượng điện phân. Trong khoảng thời gian từ 1807 đến 1808, Humphry Davy sử dụng điện phân để phân lập một số nguyên tố, trong đó có kali và natri.

Michael Faraday, người từng làm trợ lý cho Davy, đã tiến hành các thí nghiệm cẩn thận về điện phân vào đầu những năm 1830. Vào 1832 và 1834, ông công bố hai định luật mô tả chính xác mối quan hệ giữa điện tích và khối lượng chất tạo thành. Ông cũng đưa ra các thuật ngữ điện cực, anot, catot và ion, những từ vẫn được sử dụng trong hóa học ngày nay.

Các câu hỏi thường gặp

Bạn tính khối lượng lắng đọng trong quá trình điện phân như thế nào? Nhân cường độ dòng điện với thời gian để tính tổng điện tích, nhân kết quả đó với khối lượng mol của chất, rồi chia cho tích của hóa trị và hằng số Faraday: m = (I × t × M) / (z × F).

Hằng số Faraday là gì? Đó là điện tích do một mol electron mang, xấp xỉ 96.485 culông trên mol.

Anot và catot khác nhau như thế nào? Anot là điện cực nơi xảy ra quá trình oxi hóa và electron bị mất đi. Catot là điện cực nơi xảy ra quá trình khử và electron được nhận vào. Khi kim loại lắng đọng từ dung dịch, nó hình thành tại catot.

Nhiệt độ có ảnh hưởng đến kết quả tính toán không? Nhiệt độ không xuất hiện trong định luật Faraday, nên không làm thay đổi khối lượng được tính. Tuy nhiên, nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế của quá trình, vì nhiệt độ cao thường làm các phản ứng phụ diễn ra nhanh hơn.

Máy tính này hỗ trợ những kim loại nào? Đồng, bạc, vàng, kẽm, niken, sắt và nhôm, mỗi kim loại có khối lượng mol và hóa trị tiêu chuẩn được tích hợp sẵn. Với bất kỳ kim loại nào khác, công thức tương tự vẫn áp dụng được nếu biết khối lượng mol và hóa trị.

Vì sao khối lượng lắng đọng thực tế có thể khác giá trị tính toán? Định luật Faraday giả định rằng toàn bộ dòng điện đều tham gia phản ứng chính. Trong thực tế, một phần dòng điện bị tiêu hao cho các phản ứng phụ hoặc điện trở, nên khối lượng lắng đọng thực tế thường nhẹ hơn một chút so với giá trị tính toán. Tỉ lệ giữa khối lượng thực tế và khối lượng lý thuyết được gọi là hiệu suất dòng điện.

Tài liệu tham khảo

1. Faraday, M. (1834). "Experimental Researches in Electricity. Seventh Series." Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 124, 77–122.
2. Bard, A. J., & Faulkner, L. R. (2000). Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications (lần xuất bản thứ 2). John Wiley & Sons.
3. Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Atkins' Physical Chemistry (ấn bản thứ 10). Oxford University Press.