Bài 11. Nguồn điện hoá học
Nội dung lý thuyết
I. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA PIN GALVANI
- Phản ứng oxi hóa – khử diễn ra theo chiều:
Oxh (mh) + Kh (mh) → Kh (yh) + Oxh (yh)
Các phản ứng này thường giải phóng năng lượng.
- Nếu các cặp oxi hóa – khử trong phản ứng oxi hóa – khử không tiếp xúc trực tiếp mà nối với nhau qua dây dẫn thì electron sẽ chuyển gián tiếp từ chất khử sang chất oxi hóa tạo thành dòng điện.
- Phản ứng xảy ra trong pin điện hóa là phản ứng oxi hóa – khử gián tiếp, năng lượng giải phóng ra là điện năng.
1. Cấu tạo
- Trong pin điện hoá, anode là điện cực âm, nơi xảy ra quá trình oxi hoá (nhường electron); cathode là điện cực dương, nơi xảy ra quá trình khử (nhận electron).
- Pin Galvani được tạo nên từ hai cặp oxi hóa – khử khác nhau, trong đó kim loại mạnh hơn đóng vai trò anode (điện cực âm của pin), kim loại yếu hơn đóng vai trò cathode (điện cực dương của pin).
- Ví dụ:
- Hai dung dịch muối trong pin Galvani được nối với nhau bởi một cầu muối.
2. Nguyên tắc hoạt động
- Nguyên tắc hoạt động của pin Galvani dựa trên phản ứng oxi hóa – khử tự diễn biến, trong đó electron chuyển từ cực âm sang cực dương thông qua một dây dẫn điện, năng lượng giải phóng dưới dạng điện năng.
- Ở thanh Cu: Cu → Cu2+ + 2e ⇒ cung cấp electron ⇒ cực âm (anode) ⇒ electron theo dây dẫn di chuyển sang điện cực Ag.
- Ở thanh Ag: Ag+ + e → Ag ⇒ nhận electron ⇒ cực dương (cathode).
- Quá trình xảy ra trong pin Galvani:
Cu(s) + 2Ag+(aq) → Cu2+(aq) + 2Ag(s)
- Trong pin Galvani, kim loại mạnh hơn đóng vai trò anode (điện cực âm của pin), kim loại yếu hơn đóng vai trò cathode (điện cực dương của pin).
- Cầu muối có vai trò trung hòa điện tích mỗi dung dịch trong pin, duy trì dòng điện trong quá trình hoạt động của pin điện hóa.
3. Sức điện động của pin điện hoá
- Sức điện động chuẩn của pin (\(E^o_{pin}\)) tạo từ hai cặp oxi hoá - khử Xm+/X và Yn+/Y (trong đó \(E^o_{X^{m+}/X}\) < \(E^o_{Y^{n+}/Y}\)) được tính theo công thức sau:
\(E^o_{pin}=E^o_{Y^{n+}/Y}-E^o_{X^{m+}/X}\)
II. Thực hành lắp một số pin đơn giản
- Trong thực tế, có thể tạo ra dòng điện hoá học dựa trên nguyên tắc hoạt động của pin Galvani một cách đơn giản như sau:
Pin tạo bởi hai điện cực kim loại khác nhau tiếp xúc với cùng một dung dịch chất điện li.
III. Giới thiệu một số loại pin thông dụng khác
- Pin Galvani ít được sử dụng do một số hạn chế nhất định. Người ta cải tiến chúng thành pin khô tiện lợi như pin AA, AAA, acquy, pin nhiên liệu,...
Pin | Ưu điểm | Nhược điểm |
1. Acquy - được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, máy tính, ô tô,xe máy,... | - Vòng đời sử dụng được kéo dài do có thể nạp lại. | - Chi phí sản xuất lớn. - Acquy cũ, hỏng không được thu gom và xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm môi trường, ngộ độc kim loại nặng,... |
2. Pin nhiên liệu | - Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát. | - Giá thành cao. |
3. Pin Mặt Trời - là loại pin biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng. | - Thân thiện với môi trường, không tạo ra bất cứ sản phẩm hoá học nào. - Tận dụng được năng lượng vô tận của mặt trời. | - Giá thành cao. - Phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết. - Các tấm pin mặt trời hết hạn sử dụng có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. |