Trả lời nhanh
Lõi dây điện bằng đồng là kim loại nên bên trong chứa nguyên tử Cu, ion Cu2+ (nằm ở các nút mạng tinh thể) và các electron tự do. Đồng không chứa phân tử Cu2 hay ion âm. Khi có hiệu điện thế, các electron tự do dịch chuyển có hướng nên dây dẫn điện.
Vì sao lõi đồng có Cu2+ và electron tự do?
Đồng có cấu hình electron [Ar]3d104s1. Nguyên tử đồng dễ nhường electron hoá trị để thành ion dương. Theo cách trình bày ở chương trình phổ thông, quá trình này viết là:
Cu ⇄ Cu2+ + 2e
Các ion Cu2+ sắp xếp trật tự tại các nút của mạng tinh thể (đồng kết tinh theo kiểu lập phương tâm diện). Các electron vừa nhường ra không gắn với ion nào cố định mà chuyển động tự do khắp khối kim loại, gọi là electron tự do. Giữa ion dương và “đám mây” electron này có lực hút tĩnh điện, gọi là liên kết kim loại.
Trong mạng tinh thể đồng có những loại hạt nào?
| Hạt | Vị trí / trạng thái | Vai trò |
|---|---|---|
| Ion Cu2+ | Cố định tại nút mạng, dao động quanh vị trí cân bằng | Giữ khung mạng tinh thể |
| Nguyên tử Cu | Ở nút mạng, đang chuyển hoá qua lại với ion | Cùng ion tạo mạng kim loại |
| Electron tự do | Chuyển động hỗn loạn khắp mạng | Dẫn điện, dẫn nhiệt, tạo ánh kim, tính dẻo |
Vậy khi đề hỏi “lõi dây điện bằng đồng chứa các phần tử…” mà có phương án nguyên tử Cu, ion Cu2+ và electron tự do thì đó là phương án đúng. Những phương án chứa anion, phân tử Cu2 hay chỉ riêng ion Cu2+ đều sai.
Loại trừ các đáp án thường gặp
- Chỉ có ion Cu2+: sai, vì khối đồng trung hoà điện, ion dương luôn đi cùng electron tự do.
- Có anion (ví dụ O2−, Cl−): sai, kim loại nguyên chất không có ion âm.
- Phân tử Cu2: sai, kim loại không tồn tại dưới dạng phân tử riêng lẻ mà là mạng tinh thể.
- Chỉ có nguyên tử Cu: chưa đầy đủ, thiếu ion và electron tự do là nguồn gốc dẫn điện.
Vì sao electron tự do làm dây dẫn điện?
Khi chưa nối nguồn, electron tự do chuyển động hỗn loạn nên không có dòng điện tổng hợp. Khi đặt hiệu điện thế hai đầu dây, các electron vẫn chuyển động nhiệt nhưng có thêm thành phần dịch chuyển có hướng ngược chiều điện trường. Đó chính là dòng điện trong dây.
Đồng dẫn điện tốt (chỉ kém bạc) và giá thành hợp lý nên được dùng làm lõi dây điện. Khi nhiệt độ tăng, các ion dao động mạnh hơn, cản trở electron nhiều hơn, nên độ dẫn điện của kim loại giảm.
Mẹo nhớ và lỗi sai thường gặp
- Mẹo: “Kim loại = ion dương ở nút mạng + biển electron tự do”. Cứ nghĩ đến kim loại là nghĩ đến hai thành phần này.
- Lỗi 1: cho rằng dây đồng “mang điện dương” vì có Cu2+. Thực tế tổng điện tích ion dương bằng tổng điện tích electron, dây trung hoà.
- Lỗi 2: nhầm electron tự do với electron lớp trong. Electron tự do chỉ là các electron hoá trị đã tách khỏi nguyên tử.
Bài luyện tập
- Vì sao dây đồng dẫn nhiệt tốt?
Đáp án: electron tự do chuyển động nhanh, truyền động năng cho các hạt khác trong mạng khi va chạm, nên nhiệt lan nhanh khắp dây. - Một đoạn lõi dây đồng nặng 6,4 g. Tính số mol nguyên tử Cu. (Cu = 64)
Đáp án: n = 6,4 : 64 = 0,1 mol, tương ứng khoảng 0,1 × 6,02.1023 = 6,02.1022 nguyên tử. - Nếu hoà tan hết 0,1 mol Cu trong dung dịch HNO3 đặc nóng thì Cu nhường tối đa bao nhiêu mol electron?
Đáp án: Cu → Cu2+ + 2e nên số mol electron nhường = 0,1 × 2 = 0,2 mol.
Câu hỏi thường gặp
Lõi dây điện bằng đồng chứa các phần tử nào?
Chứa nguyên tử Cu, ion Cu2+ ở nút mạng tinh thể và các electron tự do chuyển động trong toàn khối kim loại.
Dây đồng có mang điện không khi chứa ion Cu2+?
Không. Điện tích dương của các ion Cu2+ được cân bằng bởi điện tích âm của các electron tự do nên dây trung hoà về điện.
Vì sao đồng được dùng làm lõi dây điện?
Vì đồng có nhiều electron tự do, dẫn điện rất tốt (chỉ kém bạc), dẻo dễ kéo sợi, bền và giá thành hợp lý hơn bạc.
Nhiệt độ tăng thì độ dẫn điện của dây đồng thay đổi thế nào?
Giảm. Các ion dao động mạnh hơn nên cản trở chuyển động có hướng của electron tự do nhiều hơn.