Thế điện cực và nguồn điện hóa học | Chuyên đề dạy thêm Hoá học 12 (chương trình mới)

Thế điện cực và nguồn điện hóa học

I. Cặp oxi hóa – khử

- Dạng oxi hóa (Mⁿ⁺) và dạng khử (M) của cùng một kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử Mⁿ⁺/M.

Mⁿ⁺ + ne $\stackrel{}{\rightleftharpoons }$ M

Dạng oxi hóa Dạng khử ⇒ Cặp oxi hóa – khử: Mⁿ⁺/M (Dạng oxi hóa/ Dạng khử)

- Một kim loại có thể có nhiều cặp oxi hóa – khử và dạng khử có thể là cation.

VD: Na⁺/Na, Mg²⁺/Mg, Al³⁺/Al, Fe²⁺/Fe, Fe³⁺/Fe, Fe³⁺/Fe²⁺, …

II. Thế điện cực chuẩn

1. Điện cực và thế điện cực chuẩn

♦ Khi nhúng thanh kim loại (M) vào dung dịch muối của kim loại đó (Mⁿ⁺) sẽ tạo thành một điện cực.

VD: Nhúng thanh Zn vào dung dịch muối chứa Zn²⁺ sẽ tạo thành điện cực kẽm.

Nhúng thanh Cu vào dung dịch muối chứa Cu²⁺ sẽ tạo thành điện cực đồng.

♦ Ở mỗi điện cực sẽ xuất hiện một đại lượng đặc trưng về điện thế gọi là thế điện cực (E).

♦ Thế điện cực đo ở điều kiện chuẩn (nồng độ ion kim loại là 1 M, nhiệt độ 25 ^oC) thì được gọi là thế điện cực chuẩn của kim loại. Kí hiệu: $E_{M^{n+}/M}^0$, đơn vị là volt (V).

- Bằng cách đo sự chênh lệch điện thế giữa điện cực cần đo với điện cực hydrogen ở điều kiện chuẩn người ta xác định được thế điện cực chuẩn của điện cực đó (quy ước: $E_{2H^{+}/H_2}^o=0V$).

- Giá trị thế điện cực chuẩn là đại lượng đánh giá khả năng khử của dạng khử, khả năng oxi hóa của dạng oxi hóa trong điều kiện chuẩn.

- Giá trị thế điện cực chuẩn càng lớn thì dạng khử có tính khử càng yếu, dạng oxi hóa có tính oxi hóa càng mạnh và ngược lại.

2. Ý nghĩa của thế điện cực chuẩn

a. So sánh tính khử, tính oxi hóa giữa các cặp oxi hóa – khử

- Nếu $E_{X^{m+}/X}^o<E_{Y^{n+}/Y}^o\Rightarrow \left\{\begin{array}{l}Tính oxi hóa của X^{m+} yếu hơn tính oxi hóa{Y}^{n+}.\\ Tính khử củaX mạnh hơn tính khử củaY\end{array}\right.$

- Các cặp oxi hóa – khử được xếp thành một dãy theo chiều tăng dần thế điện cực chuẩn gọi là dãy điện hóa của kim loại:

b. Dự đoán chiều phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử (quy tắc alpha)

III. Pin điện hóa

1. Phản ứng oxi hóa – khử và dòng điện

- Phản ứng oxi hóa – khử luôn kèm theo sự chuyển dịch electron từ chất khử sang chất oxi hóa. Nếu các quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hóa gián tiếp qua dây dẫn thì năng lượng của phản ứng hóa học sẽ chuyển thành năng lượng điện.

2. Pin Galvani

(c) Sức điện động của pin điện hóa

- Sức điện động chuẩn của pin điện hóa:

3. Lắp ráp một pin đơn giản

♦ Chuẩn bị

- Hóa chất: Các thanh kim loại: Zn, Cu, Fe; quả chanh, quả cam, củ khoai tây, …

- Dụng cụ: Dây điện có sẵn kẹp cá sấu hai đầu, vôn kế.

♦ Tiến hành

- Chọn hai điện cực là hai kim loại khác nhau. VD: Thanh kẽm và thanh đồng.

- Cắm hai thanh kim loại vào quả chanh.

- Nối cực âm của vôn kế với thanh kẽm và cực dương của vôn kế với thanh đồng.

♦ Yêu cầu: Đo sức điện động của pin đã lắp theo mô hình trên.

♦ Chú ý: Không để hai thanh kim loại tiếp xúc với nhau.

IV. Một số loại pin khác

* Bài tập tự luận

Câu 1. [CD – SBT] Điền từ hoặc cụm từ thích hợp vào chỗ trống trong mỗi câu sau.

(a) Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một …(1)… kim loại tạo nên cặp …(2)… của kim loại đó. Dạng oxi hóa là dạng …(3)… electron và dạng khử là dạng …(4)… electron.

(b) Trong phản ứng: Zn(s) + Ni²⁺(aq) $\to$ Zn²⁺(aq) + Ni(s) , chất oxi hóa là …(1)…, chất khử là …(2)… Cặp oxi hóa-khử của nguyên tố kim loại Ni là …(3)… và cặp oxi hóa khử của kim loại Zn là …(4)…

Câu 2. [CD – SBT] Điền từ hoặc cụm từ thích hợp vào chỗ trống trong mỗi câu sau:

(a) Thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử càng lớn thì tính oxi hóa của dạng oxi hóa càng …(1)… và tính khử của dạng khử càng …(2)… Ngược lại, cặp oxi hóa – khử nào có thế điện cực chuẩn càng …(3)… thì tính khử của dạng khử càng …(4)… và tính oxi hóa của dạng oxi hóa càng …(5)…

(b) Thế điện cực chuẩn (E^o) của cặp oxi hóa – khử Fe²⁺/Fe và của cặp Cu²⁺/Cu lần lượt là -0,440V và 0,340V. Ion Fe²⁺ có tính …(1)… yếu hơn ion Cu²⁺ và Fe có tính …(2)… mạnh hơn Cu. Vậy ở điều kiện chuẩn, …(3)… có thể khử …(4)… về …(5)… nhưng ion Fe²⁺ không thể …(6)… được Cu.

Câu 3. [CD – SBT] Điền từ hoặc cụm từ thích hợp vào chỗ trống trong các câu sau.

(a) Nguồn điện ...(1)... là một loại nguồn điện được tạo ra bằng cách sử dụng các phản ứng hoá học để tạo ra ...(2)....

(b) Phản ứng trong pin điện hoá diễn ra trong điều kiện …(1)... (tương ứng với hai điện cực) ở hai khu vực khác nhau được nối với nhau bởi dây dẫn. Khi đó, dòng electron được chuyển gián tiếp từ ...(2)... sang chất oxi hoá thông qua dây dẫn điện, ta có pin ...(3)....

Câu 4. [CD – SBT] Bảng dưới đây mô tả các thành phần của pin Galvani và vai trò của từng thành phần. Hoàn thiện những thông tin còn thiếu trong bảng sau.

Câu 5. [KNTT - SGK] Viết bán phản ứng hoặc cặp oxi hoá - khử còn thiếu trong bảng dưới đây vào vở:

Câu 6. [KNTT - SGK] Cho các cặp oxi hoá - khử sau: Na⁺/Na, Mg²⁺/Mg, Zn²⁺/Zn, Al³⁺/Al, Fe²⁺/Fe, Ag⁺/Ag, 2H⁺/H₂, Cu²⁺/Cu. Sắp xếp các cặp oxi hoá - khử trên theo chiều giảm dần tính khử của dạng khử.

Câu 7. Cho các kim loại: Al, Ag, Fe, Cu, Mg, Na, K, Zn. Hãy sắp xếp các kim loại trên theo thứ tự tính khử giảm dần.

Câu 8. Cho các cation kim loại: Ag⁺, Na⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Al³⁺, Cu²⁺, Mg²⁺. Hãy sắp xếp các cation kim loại trên theo thứ tự tính oxi hóa giảm dần.

Câu 9. [CTST - SGK] Cho các kim loại: K, Mg, Al, Ag. Hãy viết các cặp oxi hoá – khử tạo bởi các kim loại đó và dựa vào bảng giá trị thế điện cực chuẩn, sắp xếp theo thứ tự giảm dần tính oxi hoá của các ion kim loại tương ứng.

Câu 10. [KNTT - SGK] Cho đinh sắt (iron) tác dụng với dung dịch hydrochloric acid, thu được muối iron(II) chloride và khí hydrogen.

(a) Viết phương trình hoá học của phản ứng ở dạng ion thu gọn.

(b) Xác định các cặp oxi hoá - khử trong phản ứng trên.

Câu 11. [CD - SGK] Kim loại M tan được trong dung dịch HCl 1M ở 25^oC tạo muối MCl_n và H₂. Hãy so sánh giá trị thế điện cực chuẩn của cặp Mⁿ⁺/M và 2H⁺/H₂. Giải thích.

Câu 12. [CTST - SGK] Xác định chiều cảu các phản ứng hóa học xảy ra giữa các cặp oxi hóa – khử: Cu²⁺/Cu, Zn²⁺/Zn, và Ag⁺/Ag ở điều kiện chuẩn. Giải thích và viết phương trình hóa học.

Câu 13. [KNTT - SGK] Dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn hãy viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra giữa các cặp oxi hoá - khử sau:

................................

................................

................................