Bài 12. Thế điện cực và nguồn điện hoá học
Nội dung lý thuyết
1. CẶP OXI – HOA KHỬ CỦA KIM LOẠI
- Dạng oxi hóa Mn+ và dạng khử M của cùng một kim loại được gọi là cặp oxi hóa – khử của kim loại, kí hiệu Mn+ /M.
Mn+ | + | ne | \(⇌\) | M |
Dạng oxi hoá | Dạng khử |
- Ví dụ:
0 |
| +1 |
| +2 | 0 |
Zn (s) | + | 2HCl (aq) | → | ZnCl2 (aq) | + H2 (g) |
2. THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI VA PIN GALVANI
- Nhúng thanh kim loại (M) vào dung dịch muối của nó (Mn+), tạo thành một điện cực.
+ Ở điện cực sẽ xuất hiện một thế điện cực (E) nhất định.
- Thế điện cực chuẩn của kim loại là thế điện cực của cặp oxi hóa – khử của kim loại trong điều kiện chuẩn (nồng độ ion trong dung dịch là 1 M, nhiệt độ 25oC).
- Kí hiệu: \(E^o_{M^{n+}/M}\) , đơn vị volt (V).
- Pin Galvani gồm 2 điện cực có thế điện cực khác nhau, thường được ghép với nhau qua cầu muối. Pin Galvani chuyển năng lượng của phản ứng hoá học thành năng lượng điện.
- Ví dụ: Pin Galvani Zn-Cu gồm điện cực kẽm và điện cực đồng được nối với nhau bởi cầu muối (thường chứa dung dịch KCl bão hoà).
- 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 Zn: Zn → Zn2+ + 2e ⇒ cung cấp electron ⇒ cực âm (anode) ⇒ electron theo dây dẫn di chuyển sang điện cực Cu.
- Ở thanh Cu: Cu2+ + 2e → Cu ⇒ nhận electron ⇒ cực dương (cathode).
- Quá trình xảy ra trong pin Galvani:
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(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.
- Cách xác định thế điện cực chuẩn: Quy ước thế điện cực chuẩn của hydrogen bằng 0; từ thực nghiệm, đo chênh lệch điện thế giữa thế điện cực đó với thế điện cực hydrogen chuẩn.
3. Ý NGHĨA CỦA DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN KIM LOẠI
3.1 So sánh tính khử, tính oxi hóa giữa cặp oxi hóa – khử
- Ở điều kiện chuẩn, thế điện cực của kim loại càng lớn thì tính oxi hóa của Mn+ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại.
- Ví dụ: Thế điện cực chuẩn của cặp Zn2+/Zn và Cu2+/Cu tương ứng là -0,763 V và 0,340 V, chứng tỏ tính khử của Zn mạnh hơn tính khử của Cu và tính oxi hóa của Zn2+ yếu hơn tính oxi hoá của Cu2+.
3.2 Dự đoán chiều hướng xảy ra phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử
Chất oxi hoá mạnh hơn + Chất khử mạnh hơn → Chất khử yếu hơn + Chất oxi hoá yếu hơn
- Nếu \(E^o_{X^{m+}/X}\) < \(E^o_{Y^{n+}/Y}\), tính khử của X mạnh hơn tính khử của Y, tính oxi hoá của Xm+ yếu hơn tính oxi hoá của Yn+, chiều của phản ứng oxi hoá - khử:
nX + mYn+ → nXm+ + mY
- Ví dụ: Ở 25oC, \(E^o_{Ag^+/Ag}\) (0,799 V) > \(E^o_{Fe^{3+}/Fe^{2+}}\) (0,771 V) nên Ag+ có tính oxi hoá mạnh hơn Fe3+ và Fe2+ có tính khử mạnh hơn Ag. Vậy ở điều kiện chuẩn, có thể diễn ra phản ứng sau đây:
Fe2+(aq) + Ag+(aq) → Fe3+(aq) + Ag(s)
- Quy tắc alpha - dự đoán chiều phản ứng oxi hoá - khử theo thế điện cực chuẩn:
+ Bước 1: Sắp xếp thứ tự hai cặp oxi hoá - khử theo đúng thứ tự trong dãy điện hoá.
+ Bước 2: Áp dụng quy tắc alpha.
+ Bước 3: Xác định chiều phản ứng.
3.3 Tính sức điện động của pin điện hóa tạo bởi hai cặp oxi hóa – khử
- Sức điện động chuẩn của pin điện hoá (\(E^o_{pin}\)) có giá trị bằng hiệu số của thế điện cực chuẩn của cực dương và thế điện cực chuẩn của cực âm.
\(E^o_{pin}=E^o_+-E^o_-\)
4. MỘT SỐ LOẠI PIN KHÁC
4.1 Ưu nhược điểm chính một số loại pin
Pin | Ưu điểm | Nhược điểm |
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,... |
Pin nhiên liệu
| - Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát. | - Giá thành cao. |
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. |
4.2 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: 1 quả chanh tươi.
- Tiến hành:
Bước 1: Cắm 2 thanh kim loại vào quả chanh và không để chúng chạm vào nhau.
Bước 2: Lắp hệ thống như Hình 12.6. Ghi nhận giá trị hiện trên vôn kế.