Đề bài
Một nhóm học sinh nghiên cứu sự ăn mòn kim loại của một sợi kẽm với giả thuyết: “trong cùng điều kiện, tốc độ ăn mòn điện hóa nhanh hơn tốc độ ăn mòn hóa học”. Để kiểm tra giả thuyết của mình, nhóm học sinh trên đã chuẩn bị 2 sợi kẽm đã làm sạch bề mặt, có kích thước, khối lượng như nhau và tiến hành các thí nghiệm như sau:
- Thí nghiệm 1: Nhúng một sợi kẽm vào dung dịch $H_{2}SO_{4}$ 0,5M (hình 1).
- Thí nghiệm 2: Nhúng sợi kẽm còn lại vào dung dịch $H_{2}SO_{4}$ 0,5M cùng với một sợi đồng và nối chúng lại qua vôn kế (hình 2).
Phương pháp giải
Phân tích các thí nghiệm, kết hợp lý thuyết về pin điện, điện phân.
Lời giải chi tiết
Để kiểm tra các mệnh đề đưa ra, ta cần phân tích từng thí nghiệm và quan sát:
- Mệnh đề 1: "Nhóm học sinh trên quan sát thấy bọt khí thoát ra trên bề mặt sợi kẽm ở thí nghiệm 1 nhanh hơn bọt khí thoát ra trên bề mặt sợi kẽm ở thí nghiệm 2, chứng tỏ giả thuyết trên là sai."
- Trong thí nghiệm 1, xảy ra quá trình ăn mòn hoá học:
\[ \text{Zn} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{ZnSO}_4 + \text{H}_2 \uparrow \]
- Trong thí nghiệm 2, Zn đóng vai trò là cực âm và Cu đóng vai trò là cực dương trong pin điện hoá. Phản ứng xảy ra:
\[ \text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{e}^- \] \[ 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2 \uparrow \]
- Thí nghiệm 2 là ăn mòn điện hoá, xảy ra mạnh mẽ hơn vì có dòng điện chạy từ Zn sang Cu, dẫn đến tốc độ thoát khí ở thí nghiệm 2 thường nhanh hơn thí nghiệm 1. Do đó, mệnh đề 1 là sai.
- Mệnh đề 2: "Nếu thế điện cực chuẩn $\text{E}_{Zn^{2+}/Zn} = -0,763\text{V}$, $\text{E}_{2H^+/H_2}^0 = 0\, \text{V}$, $\text{E}_{\text{Cu}^{2+}/Cu}^0 = 0,340 \text{V}$ thì vôn kế luôn chỉ giá trị cố định là 1,10 V."
- Hiệu điện thế của pin điện hóa trong thí nghiệm 2 là:
\[ \text{E}_{\text{cell}} = \text{E}_{Cu^{2+}/Cu} - \text{E}_{Zn^{2+}/Zn} = 0,340 \text{V} - (-0,763 \text{V}) = 1,103 \text{V} \]
Do đó, mệnh đề 2 là sai.
- Mệnh đề 3: "Ở thí nghiệm 2, quan sát thấy có bọt khí thoát ra trên bề mặt sợi đồng, chứng tỏ sợi đồng bị ăn mòn điện hóa học."
- Trong ăn mòn điện hoá, H2 thường thoát ra ở cực dương là Cu, nhưng Cu không bị ăn mòn mà chỉ là nơi thu electron. Vì vậy, mệnh đề 3 là sai.
- Mệnh đề 4: "Sau 3 phút, nhóm học sinh lấy 2 sợi kẽm ra cân lại, thấy khối lượng sợi kẽm ở thí nghiệm 1 lớn hơn khối lượng sợi kẽm ở thí nghiệm 2, chứng tỏ giả thuyết trên là đúng."
- Ở thí nghiệm 2, do có sự tham gia của dòng điện, tốc độ ăn mòn kẽm nhanh hơn so với thí nghiệm 1. Do đó, khối lượng Zn giảm nhanh hơn.
- Kết quả thí nghiệm chứng minh giả thuyết ban đầu là đúng. Vì vậy, mệnh đề 4 là đúng.