Bài học cùng chủ đề
Thế điện cực và nguồn điện hóa học SVIP
1. Cặp oxi hóa – khử của kim loại
- Nguyên tử kim loại có thể nhường electron để trở thành cation kim loại và ngược lại, cation kim loại có thể nhận electron để trở thành nguyên tử kim loại.
| Al3+ + 3e ⇌ Al | Zn2+ + 2e ⇌ Zn | Cu2+ + 2e ⇌ Cu |
- Dạng oxi hóa (Mn+) và dạng khử (M) của cùng một kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử Mn+/M, giữa chúng có mối quan hệ:
Ví dụ 1: Al3+/Al; Zn2+/Zn; Cu2+/Cu;...
2. Thế điện cực chuẩn của kim loại và pin Galvani
- Nhúng thanh kim loại M vào dung dịch chứa muối của nó (Mn+), tạo thành một điện cực. Ở điện cực sẽ xuất hiện một thế điện cực (E) nhất định. Nếu nồng độ Mn+ trong dung dịch bằng 1 M và nhiệt độ 25 oC (298K) thì có thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa - khử Mn+/M (\(E^o_{M^{n+}/M}\)).
- Pin Galvani gồm hai điện cực, mỗi điện cực ứng với một cặp oxi hóa – khử và thường nối với nhau qua cầu muối (thường chứa dung dịch KCl bão hòa).
Ví dụ 2: Pin Galvani Zn - Cu gồm điện cực kẽm và điện cực đồng được nối với nhau bởi cầu muối.
+ Tại điện cực âm (anode): Xảy ra quá trình oxi hóa Zn.
Zn → Zn2+ + 2e
+ Tại điện cực dương (cathode): Xảy ra quá trình khử Cu2+.
Cu2+ + 2e → Cu
⇒ Phản ứng hóa học xảy ra trong pin:
Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
+ Các electron theo dây dẫn di chuyển từ thanh Zn sang thanh Cu.
+ Vai trò của cầu muối: Cho phép các ion di chuyển qua, do đó đóng kín mạch điện và duy trì tính trung hòa của mỗi dung dịch.
- Sức điện động của pin (Epin) là giá trị hiệu điện thế giữa hai điện cực là hiệu giữa thế điện cực của cathode (có giá trị thế điện cực lớn hơn, E+) và thế điện cực của anode (có giá trị thế điện cực nhỏ hơn, E-). Khi các điện cực ở điều kiện chuẩn, sức điện động của pin gọi là sức điện động chuẩn (\(E^o_{pin}\)).
- Để xác định thế điện cực chuẩn của một kim loại, người ta thiết lập pin điện hóa gồm điện cực chuẩn của kim loại cần xác định với điện cực hydrogen chuẩn (quy ước \(E^o_{2H^+/H_2}=0,00\left(V\right)\)). Thế điện cực chuẩn của kim loại cần đo được xác định dựa trên giá trị \(E^o_{pin}\) đo được và \(E^o_{2H^+/H_2}\).
Bảng dưới đây thể hiện giá trị thế điện cực chuẩn của một số cặp oxi hóa - khử.
| Nguyên tố | Bán phản ứng | Thế điện cực chuẩn Eo (V) |
| Li | Li + 1e ⇌ Li | -3,05 |
| K | K+ + 1e ⇌ K | -2,93 |
| Ba | Ba2+ + 2e ⇌ Ba | -2,90 |
| Ca | Ca2+ + 2e ⇌ Ca | -2,87 |
| Na | Na+ + 1e ⇌ Na | -2,71 |
| Mg | Mg2+ + 2e ⇌ Mg | -2,37 |
| Al | Al3+ + 3e ⇌ Al | -1,66 |
| Mn | Mn2+ + 2e ⇌ Mn | -1,18 |
| Zn | Zn2+ + 2e ⇌ Zn | -0,76 |
| Cr | Cr3+ + 3e ⇌ Cr | -0,74 |
| Fe | Fe2+ + 2e ⇌ Fe | -0,44 |
| Cd | Cd2+ + 2e ⇌ Cd | -0,40 |
| Co | Co2+ + 2e ⇌ Co | -0,28 |
| Ni | Ni2+ + 2e ⇌ Ni | -0,25 |
| Sn | Sn2+ + 2e ⇌ Sn | -0,14 |
| Pb | Pb2+ + 2e ⇌ Pb | -0,13 |
| Fe | Fe3+ + 3e ⇌ Fe | -0,04 |
| H2 | 2H+ + 2e ⇌ H2 | 0,00 |
| Cu | Cu2+ + 2e ⇌ Cu | +0,34 |
| Fe | Fe3+ + 1e ⇌ Fe2+ | +0,77 |
| Ag | Ag+ + 1e ⇌ Ag | +0,80 |
| Hg | Hg2+ + 2e ⇌ Hg | +0,85 |
| Pt | Pt2+ + 2e ⇌ Pt | +1,19 |
| Au | Au3+ + 3e ⇌ Au | +1,50 |
3. Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn kim loại
So sánh tính khử, tính oxi hóa giữa các cặp oxi hóa – khử
- Thế điện cực chuẩn của kim loại (\(E^o_{M^{n+}/M}\)) càng lớn thì tính oxi hóa của Mn+ càng mạnh, tính khử của M càng yếu và ngược lại.
Ví dụ 3: \(E^o_{Cu^{2+}/Cu}=+0,34\left(V\right)\) < \(E^o_{Ag^+/Ag}=+0,80\left(V\right)\) nên tính khử của Cu mạnh hơn Ag, tính oxi hóa của ion Cu2+ yếu hơn Ag+ ở điều kiện chuẩn.
Dự đoán chiều hướng xảy ra phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử
- Kim loại của cặp oxi hóa - khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn có thể khử được cation kim loại của cặp oxi hóa - khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn ở điều kiện chuẩn.
Chất oxi hóa mạnh hơn + Chất khử mạnh hơn → Chất khử yếu hơn + Chất oxi hóa yếu hơn
- Quy tắc α (alpha).
Ví dụ 4: \(E^o_{Cu^{2+}/Cu}\) = 0,340 (V) < \(E^o_{Ag^+/Ag}\) = 0,799 (V) nên:
Do đó, xảy ra phản ứng hóa học: 2Ag+ + Cu → Cu2+ + 2Ag.
- Từ đây, rút ra được nhận xét: Kim loại trong cặp oxi hóa - khử có thế điện cực chuẩn âm có thể khử được ion H+ trong dung dịch acid ở điều kiện chuẩn.
Tính sức điện động của pin điện hóa tạo bởi hai cặp oxi hóa - khử
Sức điện động chuẩn của pin điện hóa có giá trị bằng hiệu số giữa thế điện cực chuẩn của cực dương (cathode) và thế điện cực chuẩn của cực âm (anode).
\(E^o_{pin}=E^o_+-E^o_-\)
Ví dụ 5: Sức điện động chuẩn của pin Zn - Cu:
\(E^o_{pin}=E^o_{Cu^{2+}/Cu}-E^o_{Zn^{2+}/Zn}=0,34-\left(-0,76\right)=1,10\left(V\right)\)
4. Một số loại pin khác
Ưu, nhược điểm chính của một số loại pin
Hiện nay, có nhiều loại pin đang được sử dụng phổ biến như acquy, pin nhiên liệu, pin Mặt Trời,...
| Pin | Khái quát | Ưu điểm | Nhược điểm |
|
Acquy chì
|
- Thuộc loại pin thứ cấp (pin sạc), các chất phản ứng được tái tạo trong quá trình sạc bằng dòng điện một chiều. - Được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông, thiết bị điện, phát điện. |
- Dễ sản xuất, giá thành thấp. - Hoạt động ổn định. - Dễ thu hồi sulfuric acid và chì để tái chế. |
- Nặng, tuổi thọ thấp (khoảng 1 năm). - Gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc chì ở các làng nghề tái chế acquy cũ. |
|
Pin nhiên liệu
|
- Pin điện hóa chuyển đổi hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng oxi hóa – khử giữa nhiên liệu (methane, methanol, ethanol, hydrogen,...) và chất oxi hóa (thường là oxygen). |
- Điều chỉnh được cường độ dòng điện nhờ thay đổi tốc độ dòng nhiên liệu. - Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát. |
- Giá thành cao. |
|
Pin Mặt Trời
|
- Gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn được ghép nối với nhau, có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng. |
- Nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. - Tận dụng được năng lượng vô tận của Mặt Trời. |
- Sản xuất phức tạp, giá thành cao. - Phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết. - Pin Mặt Trời hết hạn có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. |
Thực hành lắp ráp pin đơn giản
Thí nghiệm: Lắp ráp pin chanh và đo sức điện động của pin.
- Dụng cụ: Thanh kim loại đồng và kẽm, vôn kế, 2 dây dẫn.
- Nguyên liệu: Một quả chanh tươi.
- Tiến hành:
+ Bước 1: Cắm 2 thanh kim loại vào quả chanh và không để chúng chạm nhau.
+ Bước 2: Lắp như hình dưới đây và đọc giá trị trên vôn kế.
1. Cặp oxi hóa – khử của kim loại là dạng oxi hóa và dạng khử tương ứng của một nguyên tố kim loại.
2. Pin Galvani là pin điện hóa có cấu tạo gồm hai điện cực, mỗi điện cực ứng với một cặp oxi hóa – khử và thường nối với nhau qua cầu muối. Khi pin hoạt động: ở anode (cực âm) xảy ra quá trình oxi hóa; ở cathode (cực dương) xảy ra quá trình khử.
3. Thế điện cực chuẩn (Eo) của kim loại có thể xác định bằng cách đo sức điện động của pin tạo bởi điện cực hydrogen tiêu chuẩn và điện cực của kim loại cần đo.
4. Khi biết giá trị thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hóa - khử, có thể so sánh được khả năng khử giữa các dạng khử và khả năng oxi hóa giữa các dạng oxi hóa ở điều kiện chuẩn.
5. Chiều xảy ra phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử: Chất khử của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn khử được cation kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn ở điều kiện chuẩn.
6. Sức điện động chuẩn của pin điện hóa:
\(E^o_{pin}=E^o_+-E^o_-\)
7. Mỗi loại pin hay acquy đều có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với từng mục đích sử dụng.
8. Có thể tự lắp ráp pin đơn giản bằng cách cắm hai thanh kim loại khác nhau vào quả chanh, cốc nước muối,... và đo sức điện động của pin.