Pin điện hóa

Những ngày gần đây thì trên lớp mình đang học đến phần Điện Hóa học, mình và bọn bạn cũng đang bị quay cuồng vì cái quy ước biểu diễn pin điện nên mình xin được trích và dịch lại một phầ

Những ngày gần đây thì trên lớp mình đang học đến phần Điện Hóa học, mình và bọn bạn cũng đang bị quay cuồng vì cái quy ước biểu diễn pin điện nên mình xin được trích và dịch lại một phần trong cuốn “Hướng dẫn về Ký hiệu và Thuật ngữ cho các Đại lượng và Đơn vị Hóa lý, Phụ lục III: Danh pháp Điện hóa học” của Hiệp hội Hóa học Thuần túy và Ứng dụng Quốc tế (IUPAC) (Manual of Symbols and Terminology for Physicochemical Quantities and Units, Appendix III: Electrochemical Nomenclature) để chia sẻ với mọi người (Đây chỉ là một phần nhỏ về các quy ước biểu diễn pin điện thôi nhé) Việc dịch không thể tránh khỏi sai sót, mong các bạn/anh/chị/thầy/cô có thể phản hồi lại

để mình chỉnh sửa

Pin Galvani

- Giá trị điện tích (Charge number – từ này mình không biết dịch sao cho đúng nên tạm tạm như thế này): Là hệ số tỉ lượng biểu diễn số electron được cho hay nhận trong bán phản ứng xảy ra tại các điện cực

- Hiệu điện thế của pin Galvani (kí hiệu: E; đơn vị SI: V (Volt)) là đại lượng chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường làm việc của pin Hiệu điện thế của pin là hiệu giữa thế điện cực của điện cực được biểu diễn ở phía bên phải của sơ đồ pin (cathode – cực dương) và thế điện cực của điện cực được biểu diễn ở bên trái trong sơ đồ pin (anode – cực âm)

- Các pin Galvani được biểu diễn bởi một sơ đồ Vì vậy, một pin điện hóa gồm dung dịch hydro clorua trong nước với nồng độ C mol/L, một điện cực bạch kim – hidro (với áp suất riêng phần của hidro là p bar), và một điện cực bạc được phủ một lớp bạc clorua, với đầu nối từ điện cực đến dây dẫn của cả hai điện cực đều làm bằng đồng, sẽ được biểu diễn bởi sơ đồ:

Cu(s)|Pt(s)|H2(g, p bar)|HCl(aq, C mol/L)|AgCl(s)|Ag(s)|Cu(s) Thêm một vài ví dụ về việc kí hiệu sơ đồ pin (lấy từ IUPAC Green Book in năm 2012):

Cu(s) | CuSO4(aq) ⁞ ZnSO4(aq) | Zn(s) Cu(s) | CuSO4(aq) ⁞⁞ KCl(aq, sat) ⁞⁞ ZnSO4(aq) | Zn(s) (đúng ra sơ đồ pin như trong tài liệu thì p và C sẽ được ghi ở ngay dưới các thành phần tương ứng, nhưng do trình bày trên Word và Facebook hơi khó nên mình xin phép ghi như trên)

- Một đường gạch thẳng đứng duy nhất (|) được dùng để biểu thị sự tiếp xúc giữa hai pha Một đường nét đứt thẳng đứng (⁞) thể hiện sự tiếp xúc giữa hai chất lỏng có thể trộn lẫn, và hai đường nét đứt thẳng đứng (⁞⁞) thể hiện sự tiếp giáp giữa hai chất lỏng mà trong đó, thế nối (liquid junction potential) được coi như đã bị triệt tiêu

- (Một chút lưu ý thêm của mình về đoạn trên: Gạch nét đứt thẳng đứng được dùng trong trường hợp cả hai điện cực cùng nhúng vào một dung dịch/chất lỏng (thí dụ như HCl (aq) chẳng hạn), còn hai đường nét đứt thẳng đứng có thể ngầm hiểu là có cầu muối nối giữa hai dung dịch, vì cầu muối được đưa vào pin là nhằm loại trừ thế nối (thế điện cực tạo ra khi hai dung dịch chất điện ly có nồng độ khác nhau tiếp xúc với nhau – Wikipedia))

- Gía trị E đo được khi điện cực bên trái (trong sơ đồ pin, hay chính là anode) đạt được trạng thái cân bằng ảo (từ gốc là “virtual equilibrium”, mình không biết dịch ra thế nào), và vì thế

nó đóng vai trò như một điện cực chuẩn (reference electrode – điện cực với thế điện cực ổn định và có giá trị xác định) có thể được gọi là “thế điện cực của điện cực ở bên phải (cathode)

đối với điện cực chuẩn bên trái (anode)” Cách gọi này không có nghĩa là có thể đo chính xác thế điện cực của một điện cực đứng riêng rẽ

- Sức điện động của pin Galvani (kí hiệu EMF, đơn vị SI: V (Volt)) là giá trị cực đại của E khi dòng điện chạy qua dây dẫn nối giữa anode và cathode của pin yếu dần, tất cả các cân bằng trao đổi điện tích thông qua nơi tiếp giáp hai pha được thể hiện trên sơ đồ pin (ngoại trừ tại các điểm tiếp giáp hay nối giữa hai chất điện ly) và các cân bằng hóa học trong mỗi pha đã được thiết lập

- Lưu ý về phần trên: Kí hiệu EMF nay đã không còn được khuyến nghị bởi IUPAC, và được thay bằng E (Tham khảo trong Sách Xanh lá IUPAC – IUPAC Green Book: Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd Edition)

- Thế chuẩn của phản ứng tổng quát diễn ra trong pin điện hóa (kí hiệu E°, đơn vị SI: V (Volt)) được định nghĩa theo phương trình:

𝐸𝑜 = −𝛥𝐺

𝑜

𝑛𝐹 =

𝑅𝑇

𝑛𝐹𝑙𝑛𝐾 Trong đó ΔG° là năng lượng Gibbs chuẩn, n là số electron được cho/nhận trong phản ứng, F là hằng số Faraday, R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ (tính bằng K) và K là hằng số cân bằng của phản ứng

- Khi kí hiệu E° cần ghi rõ giá trị E° này là cho phản ứng nào, ví dụ:

E°(Zn2+(aq) + Cu → Cu2+(aq) + Zn) (1)

- Thế chuẩn của bán phản ứng xảy ra tại các điện cực (kí hiệu Eo, đơn vị SI: V (Volt)), gọi tắt là

“thế điện cực chuẩn”, là giá trị thế chuẩn của một phản ứng tổng quát xảy khi pin hoạt động khi phản ứng đó có sự khử hidro phân tử thành các proton bị solvat hóa, ví dụ:

E°(Zn2+(aq) + H2 → 2H+(aq) + Zn)

có thể được viết tắt thành:

E°(Zn2+(aq) + 2e → Zn) hay Eo(Zn2+/Zn) Tuy nhiên không được phép thay đổi thứ tự các chất và ion trong các kí hiệu trên

Tương tự:

E°(MnO4- + H+ + 1.5 H2 → MnO2 + 2H2O)

có thể được rút ngắn thành:

E°(MnO4-/MnO2) (2) Đại lượng biểu thị bởi (1) chỉ khác đại lượng biểu thị bởi (2) ở bản chất của phản ứng diễn ra Trong một số dung môi khác nước, cần dùng một phản ứng chuẩn (phải được nêu cụ thể) khác phản ứng oxi hóa hidro phân tử Không có một phản ứng chuẩn nào là có thể áp dụng cho tất cả các dung môi, và việc đưa ra phản ứng chuẩn khuyến nghị cho mọi dung môi khác nước, ngay bây giờ, là việc không thuận tiện

- Thế của phản ứng tổng quát xảy ra trong pin điện (kí hiệu Ecell hay Epin, đơn vị SI: V (Volt)) được định nghĩa bởi:

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝑜−𝑅𝑇

𝑛𝐹∑ 𝜈𝑖 𝑖ln 𝑎𝑖 (3) Trong đó ai là hoạt độ của các tiểu phân tham gia phản ứng và νi là hệ số tỉ lượng của các tiểu phân tương ứng trong phương trình của phản ứng tổng quát νi là một số dương cho các tiểu phân ở vế bên phải của phương trình phản ứng và là một số âm cho các tiểu phân ở vế bên trái của phương trình Biến số thành phần được lấy làm định nghĩa cho hoạt độ phải luôn được cho trước

- Lại là một chút lưu ý của mình: “Biến số thành phần” ở đây mình dịch khá sát với từ gốc là

“composition variable” Các biến số thành phần là các thông số cường độ thể hiện lượng tương đối của một tiểu phân hay một chất trong một pha (9.1 Composition Variables (2019, June 6) https://chem.libretexts.org/@go/page/20611) hay chính là các đại lượng như phần mol hay nồng độ mol

- Thế tiêu chuẩn thực (hay thế tiêu chuẩn điều kiện) (kí hiệu: Eo’,đơn vị SI: V (Volt)) liên hệ với Ecell bởi một phương trình tương tự như phương trình (3), với hoạt độ ai được thay bằng bất

cứ biến số thành phần nào (phải được ghi rõ bằng chữ cái dưới dòng):

𝐸𝑐𝑒𝑙𝑙 = 𝐸𝐶𝑜′−𝑅𝑇

𝑛𝐹∑ 𝜈𝑖ln 𝐶𝑖

𝑖

(Ở phương trình trên thì hoạt độ từ (3) được thay bằng nồng độ mol, nên kí hiệu Eo’ có thêm chữ C nhỏ bên dưới thể hiện rằng nồng độ mol được dùng thay cho hoạt độ)

- Trong một số trường hợp, nồng độ của một chất phản ứng được giữ là hằng số bởi môi trường phản ứng, khi đó chất có nồng độ là hằng số ấy sẽ không được tính vào tổng ∑νi ln Ci (ví dụ như nồng độ H+ được giữ ổn định bởi môi trường axit)

- Khi kí hiệu thế tiêu chuẩn thực, cần nêu rõ phản ứng xảy ra tại các điện cực và môi trường phản ứng, ví dụ :

E°’(Zn2++2e→Zn, 6 mol/L H2SO4)

hoặc

E°’(Zn2+/Zn, 6 mol/dm3 H2SO4) Quá trình dịch tài liệu này có tham khảo từ cuốn Cơ sở lý thuyết các phản ứng hóa học của tác giả Trần Thị Đà và Đặng Trần Phách, và cuốn Hóa học phân tích 1: Cân bằng ion trong dung dịch của tác giả Nguyễn Tinh Dung