Bài giảng Hoá đại cương: Chương 6 - Nguyễn Văn Hòa (2022)

Bài giảng Hoá đại cương: Chương 6 cung cấp cho người học những kiến thức như: Phản ứng oxi hóa – khử; Nguyên tố gavalnic và điện cực; Sự điện phân. Mời các bạn cùng tham khảo!

Ví dụ: Zn + CuSO4  ZnSO4 + Cu

Zn0 – 2e  Zn2+ : Quá trình oxh

Cu2+ + 2e  Cu0 : Quá trình khửTrong đó: Zn và Cu – dạng khử; Zn2+ và Cu2+ – dạngoxi hóa

1.2 Cân bằng phản ứng oxi hóa khử

a Phản ứng không có môi trường tham gia

2Al + 3CuSO4  Al2(SO4)3 + 3Cu

b Phản ứng có môi trường tham gia

2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4  2MnSO4 + 5KNO3 +

K2SO4 + 3H2O

KClO3 + 2CrCl3 + 10KOH  7KCl + 2K2CrO4 + 5H2O 2KMnO4 + 3KNO2 + H2O  2MnO2 + 3KNO3 + 2KOH

Bài tập

Cho các phản ứng oxh – khử sau, viết các quá trìnhoxh và khử xảy ra trong phản ứng Cho biết cặpoxh/khử tương ứng của phản ứng và cân bằng pư

1.3 Phản ứng oxi hóa khử và dòng điện

a Phản ứng oxh – khử xảy ra trong dung dịch

Zn + Cu2+  Cu + Zn2+ H298o   51,82 Kcal mol/

Hóa năng  nhiệt năng(e trao đổi trực tiếp)

b Không cho chất oxh và khử tiếp xúc trực tiếp

Zn + Cu2+  Cu + Zn2+Hóa năng  điện năng

2 Nguyên tố galvanic (pin Volta) và điện cực

2.1 Cấu tạo và hoạt động của nguyên tố galvanic

• Cấu tạo của nguyên tố galvanic gồm hai điện cực

được nối với nhau bằng sợi dây dẫn kim loại(mạch ngoài) và cầu muối kết nối hai điện cực vớinhau (mạch trong)

• Điện cực đơn giản gồm 1 thanh kim loại nhúng

vào dung dịch chất điện ly của nó

• Cầu muối là bộ phận chứa dung dịch chất điện ly

Chất điện ly thường sử dụng là dung dịch KCl;KNO ; NH Cl hoặc NH NO

• Hoạt động:

• Ký hiệu pin điện hóa:

(-) Điện cực kim

loại hoặc điện

cực trơ

Dung dịch của ion kim loại hoặc cặp oxh khử

Dung dịch của ion kim loại hoặc cặp oxh khử

Điện cực kim loại hoặc điện cực trơ

(+)

Trong đó:

 Anot (-): điện cực xảy ra quá trình oxi hóa

 Catot (+): điện cực xảy ra quá trình khử

 ǀ: bề mặt phân chia pha

 ||: ranh giới giữa 2 bán pin, thường là cầu muối.

 Khi tích hợp nồng độ, áp suất hay hoạt độ thì

biểu diễn trong ngoặc đơn

Ví dụ: Cấu tạo của pin đồng – kẽm với nồng độ các

dung dịch 1,00 M được ký hiệu:

(-) Zn | ZnSO 4 (1,00 M) || CuSO 4 (1,00 M) | Cu (+) Hay (-) Zn | Zn 2+ (1,00 M) || Cu 2+ (1,00 M) | Cu (+)

Bài tập:

Bài 1: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxh – khử: Pb2+/Pb và

Ag+/Ag.

Biết  o (Pb2+/Pb) = - 0,126 V;  o (Ag+/Ag) = +0,799 V.

Bài 2: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxh – khử:

2H+(1 M)/H2(1 atm) và Fe3+(0,5 M)/Fe2+(1 M).

2.2 Sức điện động của nguyên tố galvanic

Sức điện động (E) của nguyên tố galvanic là hiệuđiện thế cực đại của nguyên tố khi phản ứng oxi hóakhử xảy ra thuận nghịch

Xét phản ứng oxi hóa khử tổng quát:

aA + bB ⇌ cC + dDSức điện động được xác đinh theo phương trình:

Mối liên hệ giữa sức điện động (E) của nguyên tốgalvanic với biến thiên thế đẳng áp (G) và hằng số

cân bằng (K) của phản ứng oxi hóa khử.

2.3 Thế điện cực và phương trình Nernst

Thế điện cực là đại lượng thế hiệu đặc trưng cho quátrình điện cực hay điện cực, ký hiệu là 

Đối với quá trình điện cực tổng quát:

Ox + ne ⇌ Kh

Phương trình Nernst:

]Kh[

]Ox

[lnnF

n – Số e trao đổi trong quá trình điện cực

[Ox], [Kh] – Tích nồng độ các chất tham gia dạngoxi hóa và dạng khử với số mũ tương ứng

F – Hằng số Faraday (96485 C/mol)

R – Hằng số khí (8,314 J/mol.độ)

T – Nhiệt độ tuyệt đối (K)

o – Thế điện cực tiêu chuẩn (V, tra trong sổ tay)

 phụ thuộc vào bản chất chất tham gia quá trìnhđiện cực (o), nhiệt độ (T) và nồng độ các chất thamgia quá trình điện cực ([ ])

Ở 25 oC (298 K):  = o + 0,0592 log [Ox]

n [Kh]

Áp dụng phương trình Nernst vào một số quá trìnhđiện cực:

2H + + 2e ⇌ H 2    

2

+ 2 o

Xác định thế điện cực tiêu chuẩn (o )

Eo = o

2H+/H2 - o

Zn2+/Zn

Data from CRC

Handbook of Chemistry and Physics, 97th edition,

2016 (page 5-78  85).

5-2.4 Chiều xảy ra của phản ứng oxi hĩa khử

Phản ứng oxi hĩa khử xảy ra theo chiều dạng oxi hĩacủa cặp oxi hĩa khử cĩ  lớn hơn sẽ oxi hĩa dạng khửcủa cặp oxi hĩa khử cĩ  nhỏ hơn

oxi hóa 1/khử 1 LỚN

oxi hóa 2/khử 2 NHỎ

 Oxi hĩa 1: Tính oxi hĩa 

Quy tắc :

• Sắp xếp 2 cặp oxi hóa khử theo chiều  tăng dần

• Viết chữ  giữa 2 cặp oxi hóa khử

• Chiều viết chữ  chính là chiều phản ứng

Ví dụ: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxi hóa khử

I2/2I- và Fe3+/Fe2+ và viết phản ứng xảy ra trong pin.Biết o(I2 /I-) = +0,536V ; o(Fe3+/Fe2+ )= +0,771V

(-) Pt | I 2 , I - || Fe 3+ , Fe 2+ | Pt (+)

I 2 Fe 3+

2I -Fe 2+ Phản ứng xảy ra trong pin:

Fe3+ + 2I-  I + Fe2+

Bài tập

1 Tính sức điện động, cho biết quá trình điện cực, phản ứng

oxi hóa khử xảy ra trong pin (-) Mg|Mg2+ || Zn2+|Zn (+):

a Ở điều kiện tiêu chuẩn

b Khi [Mg2+] = 0,1 M; [Zn2+] = 0,01 M

2 Xác định cực âm, cực dương, viết ký hiệu pin, phương

trình phản ứng xảy ra trong pin và tính sức điện động của pin ở điều kiện tiêu chuẩn của các pin sau:

a Mg – Al; b Pb – Cd;

c Sn – H2; d Sn4+,Sn2+ – Cr 3+ ,Cr2+

3 Tính sức điện động, cho biết quá trình điện cực xảy ra

trong pin: Cu|Cu2+ (0,1 M) || Cu2+(1 M) |Cu

4 Có thể oxi hóa axit HNO2 thành HNO3 bằng Br2 và

I2 được không? Thành lập và cân bằng phươngtrình phản ứng oxi hóa khử xảy ra

5 Ở điều kiện tiêu chuẩn, phản ứng 5Fe3+ + Mn2+ +12H2O ⇌ 5Fe2+ + MnO4- + 8H2O xảy ra theo chiềunào?

6 Xác định chiều phản ứng oxi hóa khử: Hg22+ +2Fe2+ ⇌ 2Hg + 2Fe3+ trong 2 trường hợp:

a [Hg22+] = [Fe2+] = 10-1 M; [Fe3+] = 10-4 M

b [Hg22+] = [Fe2+] = 10-4 M; [Fe3+] = 10-1 M

2.5 Giản đồ thế điện cực và sự dị li

- Xác định được ion hay phân tử không

bền: Ion hay phân tử có thế khử trước

nó bé hơn thế khử sau nó  không bền

- Tính thế khử của cặp chưa biết thế khử

Ví dụ: Tính thế của các cặp:

MnO -/MnO ; MnO /Mn2+

Bài tập

1 Giản đồ thế của nitơ ở pH 0 cho thấy các giá trị thế điện

cực tiêu chuẩn ( o) sau đây:

[NO3]-  HNO2 , o = 0,93 V

HNO2  NO , o = 0,98 V

Giá trị o của quá trình khử [NO3]- thành NO là bao

nhiêu?

2 Giản đồ thế của brom ở pH 14 cho thấy các giá trị thế

điện cực tiêu chuẩn ( o) sau đây:

[BrO3]- → Br - , o = +0,61 V

[BrO]- → Br - , o = +0,76 V

Giá trị o của quá trình khử [BrO3]- thành [BrO]- là bao nhiêu?

3 Sự điện phân

Sự điện phân là quá

trình oxh – khử xảy ra

trên bề mặt điện cực khi

cho dòng điện một chiều

đi qua dung dịch chất điện

ly hoặc qua dung dịch chất

điện ly nóng chảy và có

kèm theo sự biến đổi điện

năng thành hóa năng

3.1 Sự điện phân dung dịch chất điện ly trong nước

• Đối với chất điện ly nóng chảy

• Đối với dung dịch chất điện ly trong nước

Đối với dung dịch chất điện ly trong nước, có sựcạnh tranh phản ứng ở các điện cực.

 Các quá trình catot (-): Cặp oxh/khử nào có thế

lớn hơn sẽ ưu tiên phản ứng trước

Ví dụ: trong dung dịch NaCl, ở catot H2O sẽ phảnứng trước, vì:

2Na+ + 2e  Na o

Na+/Na = - 2,71 V2H2O + 2e  H2 + 2OH- o

H2O/H2 = - 0,83 V

 Các quá trình anot (+): Cặp oxh/khử nào có thế

nhỏ hơn sẽ ưu tiên phản ứng trước

Có 2 loại anot:

 Anot trơ (Pt, graphit …): Do có quá thế anot khác

nhau mà quá trình điện phân xảy ra theo thứ tự:

Các ion không chứa oxi (trừ F - )  H 2 O  các ion chứa oxi.

Ví dụ: trong dung dịch NaCl, ở atot Cl- sẽ phảnứng trước, mặc dù o

O2/H2O nhỏ hơn o

Cl2/2Cl-

2Cl- – 2e  Cl2 o

Cl2/2Cl- = 1,36 V2H2O – 4e  O2 + 4H+ o

O2/H2O= 1,23 V

 Anot hòa tan: là các anot được làm bằng kim loại

như Cu, Fe, Ni, Zn… Nếu thế của của anot nhỏhơn thế của các cặp oxh/khử có trong dung dịchthì anot bị hòa tan và ngược lại

3.2 Thế phân giải và quá thế

 o Cl2/2Cl - = + 1,36 V

 o Zn2+/Zn = - 0,76 V

3.3 Các định luật điện phân

Định luật I: Lượng chất được tạo thành hay hòa tan ở

điện cực khi điện phân tỷ lệ thuận với lượng điện đi qua chất điện ly (tức tỷ lệ với số e trao đổi).

Định luật II: Những lượng điện bằng nhau sẽ tạo

thành hay hòa tan những lượng đương lượng như nhau của các chất ở điện cực khi điện phân.

Q m=

m – Lượng chất tạo thành hay hòa tan ở điện cực (gam)

E – Đương lượng gam của chất đó

Q – Điện tích đi qua chất điện ly (culong)

F – Hằng số Faraday (96485 culong/mol)

n – hóa trị của chất biến đổi

I – cường độ dòng điện (Ampe)

Tính toán điện phân

1 Faraday (96485 C) chính là điện tích trong 1 mol e

1 mol e = 96485 C

Trong thí nghiệm điện phân, chúng ta không thể đotrực tiếp điện tích, nhưng có thể đo được dòng điện,dòng điện (ampe) chính là điện tích (culong) trên 1đơn vị thời gian (giây)

Ví dụ: khi điện phân dung

dịch CuSO4 bằng điện cực trơ.Tính điện tích và cường độdòng cần thiết để thu được

404 mg Cu trên catot trongthời gian 5 giờ

4 Một số ứng dụng các quá trình điện hóa

4.1 Nguồn điện hóa học

• Pin Leclanché khô

• Pin kiềm khô

• Pin thủy ngân và bạc (pin nút)

• Pin liti – ion

• Pin nhiên liệu

• Ăcquy chì – axit

4.2 Ăn mòn kim loại và biện pháp bảo vệ kim loại

4.3 Các quá trình điện phân trong công nghiệp

• Sản xuất natri

• Sản xuất xút - clo

• Tinh chế đồng

• Sản xuất nhôm