Hạt tải điện là gì? Hạt tải điện trong kim loại, chất điện phân?

1. Hạt tải điện là gì?

Hạt tải điện (còn được gọi là điện tử tải) là một khái niệm trong ngành điện học để mô tả các hạt nhỏ mang điện (như điện tử) trong một chất dẫn điện. Điện tử tải thường được dùng để di chuyển dòng điện thông qua một vật dẫn điện, như kim loại hoặc chất điện phân.

Hạt tải điện trong kim loại: Trong kim loại, các hạt tải điện chủ yếu là các điện tử tự do. Kim loại là một loại vật dẫn điện, trong đó các electron tự do có thể di chuyển tự do qua cấu trúc tinh thể. Dòng điện trong kim loại thường là dòng của các điện tử tự do di chuyển.

Hạt tải điện trong chất điện phân: Trong chất điện phân, hạt tải điện có thể là các ion hoặc các loại phân tử mang điện tích. Chất điện phân thường không phải là một dẫn điện tốt như kim loại, nhưng nó có khả năng dẫn điện một cách hạn chế. Các hạt tải điện trong chất điện phân di chuyển để tạo ra dòng điện trong chất.

Ví dụ về hạt tải điện trong chất điện phân có thể thấy trong hiện tượng điện phân nước thành oxy và hidro. Trong quá trình này, các ion oxy và hidro di chuyển qua dung dịch điện phân để tạo ra dòng điện.

Tổng quát, khái niệm hạt tải điện ám chỉ các hạt nhỏ mang điện, bất kể là điện tử tự do trong kim loại hoặc các ion, phân tử mang điện tích trong chất điện phân, đóng vai trò quan trọng trong truyền dẫn dòng điện trong các vật dẫn điện khác nhau.

2. Hạt tải điện trong kim loại là gì?

Hạt tải điện trong kim loại chính là các electron hoá trị đã bị bay ra khỏi tinh thể. Mật độ các electron tự do trong kim loại rất cao nên các kim loại mới có tính dẫn điện tốt. Bản chất của dòng điện trong kim loại là dòng dịch chuyển có hướng của các electron tự do này.

2.1. Electron là gì?

Sau khi tìm hiểu hạt tải điện trong kim loại là gì ở bên trên, chắc chắn các bạn cũng rất tò mò về khái niệm của electron. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu khái niệm này qua các thông tin ngay bên dưới đây.

Electron (điện tử hay hạt nguyên tử) là hạt mang điện tích âm nằm bên trong nguyên tử và bao quanh hạt nhân. Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương nằm ở trung tâm và các electron mang điện tích âm chuyển động ở xung quanh. Điện tích của mỗi hạt electron là -1,6.10-19 Coulomb (kí hiệu C), khối lượng 9,1. 10-31 kg. Electron được kí hiệu là e.

Electron có những tính chất sau đây:

Nếu một nguyên tử có cùng số proton (số p) và số electron (số e) thì nguyên tử đó sẽ trung hòa về điện. Vì điện tích âm của nguyên tử electron đã bị trung hòa bởi điện tích của nguyên tử proton dương.

Các electron sẽ luôn quay quanh hạt nhân và bên trong các lớp vỏ theo một quỹ đạo nhất định.

Lực hút do các nhân mang điện tích dương (+) tạo ra sẽ tác dụng lên các electron mang điện tích âm (-). Lực hút này đóng vai trò là lực hướng tâm vô cùng cần thiết để các electron có thể quay xung quanh hạt nhân.

Các electron ở gần hạt nhân sẽ liên kết mạnh với hạt nhân và khó kéo ra  khỏi nguyên tử hơn so với các electron ở xa hạt nhân.

2.2. Dòng điện bên trong kim loại là gì?

Dòng điện trong kim loại chính là dòng chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường. Hệ số của nhiệt điện trở không những phụ thuộc vào nhiệt độ. Mà còn phụ thuộc vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó. Khi nhiệt độ giảm, điện trở suất của kim loại cũng giảm liên tục.

2.3. Bản chất của dòng điện bên trong kim loại:

Chúng ta hãy cùng đi tìm hiểu về bản chất của dòng điện có trong kim loại, qua những thông tin sau:

– Các nguyên tử khi bị mất electron hoá trong kim loại bị trở thành các ion dương. Hệ thống các ion dương sẽ có sự liên kết với nhau một cách trật tự, tạo nên mạng tinh thể trong kim loại. Nếu mạng tinh thể càng trở nên mất trật tự, nếu sự chuyển động của các ion sẽ càng mạnh.

– Các electron hoá trị sẽ tách khỏi nguyên tử. Trở thành các electron tự do với mật độ n không đổi (n là hằng số). Chúng chuyển động hỗn loạn tạo ra khí electron tự do. Toàn bộ thể tích của khối kim loại và không sinh ra bất kì dòng điện nào.

– Điện trường được sinh ra bởi nguồn điện. Đẩy khí Electron trôi ngược chiều điện trường và sinh ra dòng điện.

– Sự đảo lộn trật tự của các tinh thể sẽ cản trở chuyển động của electron tự do. Là nguyên nhân gây nên điện trở kim loại. Hay nói cách khác là điều kiện có dòng điện trong kim loại là sự va chạm của các electron tự do với các ion dương của mạng tinh thể. Sự méo dạng tinh thể do biến dạng cơ học và các nguyên tử lạ lẫn bên trong kim loại. Điện trở của kim loại rất nhạy cảm với các yếu tố nêu trên.

– Thuyết electron về tính dẫn điện của kim loại cho chúng ta thấy hạt tải điện trong kim loại là electron tự do. Vì mật độ của chúng rất cao nên kim loại dẫn điện rất tốt. Nhiều các tính chất khác của dòng điện nằm trong kim loại cũng có thể suy ra từ thuyết này.

Vì vậy, dòng điện ở trong kim loại là chuyển dời có hướng của các electron tự do dưới tác dụng của điện trường.

2.4. Sự phụ thuộc của điện trở suất của kim loại theo điều kiện nhiệt độ:

Qua các thí nghiệm dòng điện trong kim loại. Các nhà khoa học đã chứng minh được rằng điện trở suất p trong kim loại tăng theo nhiệt độ gần đúng theo hàm bậc nhất:

ρ = ρ0[1 + α(t – t0)]

Trong đó:

ρ0 là điện trở suất ở nhiệt độ (thường ở 20 độ C)

ρ là điện trở suất ở nhiệt độ

α là hệ số của nhiệt điện trở (K-1)

Hệ số nhiệt điện trở không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà vào cả độ sạch và chế độ gia công của vật liệu đó.

Khi nhiệt độ giảm thì điện trở suất của kim loại giảm liên tục. Đến gần 0 độ K điện trở của kim loại sạch đều rất nhỏ.

Một số kim loại và hợp kim, khi nhiệt độ xuống thấp hơn một nhiệt độ tới hạn Tc thì điện trở suất đột ngột giảm xuống bằng 0. Ta nói rằng các vật liệu ấy đã chuyển sang trạng thái có tên là siêu dẫn.

Hiện tượng siêu dẫn này có ứng dụng:

Các cuộn dây siêu dẫn được sử dụng để tạo ra các từ trường rất mạnh.

Dự kiến sử dụng dây siêu dẫn để tải điện và tổn hao năng lượng trên đường dây không còn nữa.

3. Hạt tải điện trong chất điện phân là gì?

Hạt tải điện trong chất điện phân là ion dương và ion âm, các hợp chất hóa học như axit, bazơ và muối bị phân ly (một phần hoặc toàn bộ) thành các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử tích điện gọi là ion, ion có thể chuyển động tự do trong dung dịch và trở thành hạt tải điện.

– Dòng điện trong chất điện phân khi dòng ion dương, ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau trong điện trường chính là dòng điện trong chất điện phân.

– Bản chất dòng điện trong chất điện phân:

+ Dòng điện trong chất điện phân là dòng ion dương và ion âm chuyển động có hướng theo hai chiều ngược nhau. Ion dương chạy về phía catot nên gọi là cation, ion âm chạy về phía anot nên gọi là anion.

+ Dòng điện trong chất điện phân không chỉ tải điện lượng mà còn tải cả vật chất (theo nghĩa hẹp) đi theo. Tới điện cực chỉ có electron có thể đi tiếp còn lượng vật chất đọng lại ở điện cực gây ra hiện tượng điện phân. Chất điện phân không dẫn điện tốt bằng kim loại.

– Những hiện tượng diễn ra ở điện cực:

+ Xét chi tiết những hoạt động xảy ra ở điện cực của bình điện phân dung dịch CúO4 có điện cực bằng đồng bình điện phân này thuộc loại đơn giản nhất vì chất tan là muối của kim loại dùng làm điện cực trường hợp này là đồng. Khi dòng điện chạy qua, cation Cu2+ chạy về catot về nhận electron từ nguồn điện đi tới. Ta có các điện cực, cụ thể:

Ở catot: Cu2+ + 2e- -> Cu

Ở canot: Cu -> Cu2+ + 2e-.

Khi anion chạy về anot nó kéo ion Cu2+ vào dung dịch đồng ở anot sẽ tan dần vào trong dung dịch đó là hiện tượng dương cực tan.

+ Các ion chuyển động về các điện cực có thể tác dụng với chất làm điện cực hoặc với dung môi tạo nên các phản ứng hóa học gọi là phản ứng phụ trong hiện tượng điện phân.

– Có hai loại hạt tải điện trong chất bán dẫn là electron và lỗ trống:

+ Khi bị chiếu sáng hay bị tác dụng của các tác nhân ion hóa khác điện trở của chất bán dẫn giảm đáng kể.

+ Khi nhiệg độ thấp, chất bán dẫn siêu tinh khiết có điện trở suất rất lớn, khi nhiệt độ tăng hệ số nhiệt điện trở sẽ có giá trị âm còn điện trở suất giảm nhanh. Khi pha một ít tạp chất, điện trở suất của chất bán dẫn giảm rất mạnh.

3.1. Tại sao hạt tải điện quan trọng trong quá trình điện phân?

Trả lời: Hạt tải điện đóng vai trò quan trọng trong quá trình điện phân bởi vì chúng là nguồn gốc của dòng điện. Khi áp dụng điện thế (điện áp) qua chất điện phân, hạt tải điện sẽ di chuyển, tạo ra dòng điện. Quá trình này thường đi kèm với các phản ứng hóa học tạo ra các sản phẩm mới.

3.2. Làm thế nào để hạt tải điện di chuyển trong chất điện phân?

Hạt tải điện di chuyển trong chất điện phân dựa trên việc áp dụng một điện thế (điện áp) qua chất. Điện thế tạo ra lực tác động lên hạt tải điện, đẩy chúng di chuyển. Nếu có khả năng dẫn điện tốt trong chất, hạt tải điện sẽ dễ dàng di chuyển và tạo ra dòng điện. Quá trình này thường xảy ra trong các thiết bị điện phân như điện cực điện phân, nơi hạt tải điện được tạo ra và di chuyển để tham gia vào các phản ứng hóa học.