Chương 5. CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ ĐIỆN HÓA

Các đặc trưng cơ bản của chất điện ly Xét chất điện ly: AB = A+ + B (1) •Hằng số phân ly: coi qt phân ly là 1 pưhh thì hằng số phân ly bằng hằng số cân bằng hh Kd =

Chương 5 CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ

ĐIỆN HÓA

Tạ Ngọc Ly

Mục tiêu bài học

• Nắm được các định nghĩa về điện ly, độ dẫn điện, độ phân ly

• Trình bày được tính chất dung dịch điện ly

• Cân bằng được phản ứng oxi hóa khử

• Trình bày cấu tạo và hoạt động của pin điện

• Áp dụng tính toán thế điện hóa, sức điện động của pin

Luigi Galvani’s Alessandro Volta,

Đèn hồ quang than

Đèn hồ quang xenon

Đèn hồ sợi đốt

5.1 Một số khái niệm cơ bản về điện hóa

𝑆 𝑙

Độ dẫn điện R: điện trở; S: tiết diện;

l: khoảng cách 2 điện cực; 𝜌: điện trở suất 1

𝜌 = 𝛼: 𝑔ọ𝑖 𝑙à độ 𝑑ẫ𝑛 đ𝑖ệ𝑛 𝑟𝑖ê𝑛𝑔 Khi S=1 cm 2 và l = 1 cm thì a =1

𝑅 : là độ dẫn điện của dung dịch điện li giữa 2 điện cực có tiết diện 1 cm 2

Các đặc trưng cơ bản của chất điện ly

độ, nếu dung dịch thực thì hoạt độ

• Độ phân ly (a) đặc trưng cho mức độ phân ly thành ion

Kd = 𝐴

+

[𝐵−] [𝐴𝐵] = 𝑎𝐶

0 𝑎𝐶0𝐶0(1−𝑎) = 𝑎

2 𝐶01−𝑎 Đối với chất điện ly có a nhỏ thì 1-a ≈ 1  Kd=a2C0 có nghĩa là khi pha loãng thì độ phân ly tăng

• Hệ số Van’t Hoff (i) : là tỉ số giữa số phân tử sau phân ly (ion + phân

tử không phân ly) so với số phân tử trước khi phân ly (số phân tử hòa

tan), đặc trưng cho sự gia tăng số tiểu phân của dd điện ly

Xét phản ứng đơn giản như 1 thì a = i = 1

Van’t Hoff: giải nobel hóa học đầu tiên (1901)

Chất điện ly yếu và chất điện ly mạnh

Chất điện ly yếu: a «1

• Acid hữu cơ, bazo hữu cơ, muối vô cơ HgCL2, Hg(CN)2

• Hawfg số phân ly không phụ thuộc nồng độ, chỉ phụ thuộc nhiệt đô

• Độ phân ly phụ thuộc nồng độ

Chất điên ly mạnh: a = 1

• Acid, bazo vô cơ

• Muối vô cơ: NaCl, KCl, KNO3

Ảnh hưởng của nồng độ đến độ dẫn điện của dung dịch điện ly

Tính chất của dung dịch điện ly

• Đồng nhất về tính chất hóa lý ở mọi điểm

• Thành phần có thể thay đổi liên tục trong một giới han

• Tăng điểm sôi

• Giảm điểm kết tinh

• Tăng áp suất thẩm thấu

Lớp điện tích kép

Tụ điện

Số oxi hóa

Cho phép theo dõi các electron

bị mất hoặc thu được

- dạng nguyên tố, hợp chất trung tính: 0

- Các ion : số điện tích

- Các phi kim: số oxi hóa âm,

- Oxy có số ôxy hoá là −2, ngoại trừ ôxy già có −1

- Hydro là −1 khi liên kết với kim loại, +1 khi liên kết với phi kim

Quá trình Oxi hóa và khử

• Chất oxy hóa bị khử

• Chất khử bị oxy hóa

Cách cân bằng oxi hóa khử

1.Gán số oxi hóa để xác định chất nào bị oxi hóa và chất bị khử

2.Viết các bán phản ứng oxi hóa và khử

3.Cân bằng các nguyên tố trong mỗi nửa phản ứng để lại O và H cuối cùng 4.Cân bằng O bằng cách thêm H2O

5.Cân bằng H bằng cách thêm H +

6.Cân bằng điện tích bằng cách thêm electron

7 Nhân các nửa phản ứng với số nguyên để các electron thu được và mất đi là như nhau

8 Cộng các nửa phản ứng, trừ đi những thứ xuất hiện ở cả hai phía

9 Cân bằng cả khối lượng và điện tích

Điện di

Chuẩn độ bằng độ dẫn điện

5.2.Thế điện hoá và cân bằng trên ranh giới pha điện cực -

Z: hoạt độ electron

Khi nghiên cứu sự chuyển chất trên ranh giới pha, cần phải làm rõ các đại

lượng thuộc về pha nào, ví dụ pha a, ta có:

Thế điện hoá có những thuộc tính sau đây:

• Đối với chất không mang điện thì:

• Đối với mọi cấu tử i:

• Đối với pha nguyên chất:

• Đối với các electron trong kim loại có thể bỏ qua số hạng hoạt độ electron:

• Khi hai pha a và  đều chứa cấu tử i, ở trạng thái cân bằng thì:

a a

_

i i

Cân bằng trên ranh giới pha điện cực – dung dịch

• Nếu trên ranh giới điện cực dung dịch tồn tại cân bằng

Ox + ne  Red , có nghĩa là tốc độ oxh bằng tốc độ khử

• Thì quá trình điện cực ứng với trạng thái cân bằng là quá trình thuận nghịch Thế điện cực ứng với trạng thái này là thê điện cực cân bằng

5.3 Hiệu thế giữa hai pha

Hiệu thế giữa hai pha:

Một cách tổng quát khi có sự dịch chuyển của cấu tử i từ pha a sang pha  thì

và hiệu thế giữa chúng được xác định bởi biểu thức:

Hiệu thế giữa hai pha chỉ được xác định khi hai pha có cùng thành phần hoá học, nghĩa là:

Vậy, hiệu thế giữa hai pha:

) (

_

_

 a

 a

i i

5.4 Vận dụng khái niệm về thế điện hoá để xét cân bằng điện

hoá trên một số ranh giới pha:

• Cân bằng giữa hai kim loại M1 và M2 tiếp xúc nhau:

• Cân bằng pha kim loại/hợp chất khó tan/ion

• Cân bằng pha giữa hai dung dịch ngăn cách bởi màng bán

thấm cho một dạng ion:

F

M e

M e M

   

F Z

M M

S M S

) (

RT

5.5 Pin điện: sức điện động và thế điện cực

• Pin điện đơn giản nhất là pin điện có một dung dịch điện phân chung cho cả hai điện cực

• Đối với pin điện người ta có thể đo hiệu thế giữa hai đầu của điện

cực Có hai trường hợp xảy ra khi đo hiệu thế này:

+ Đo khi có dòng điện lưu thông ở mạch ngoài của pin điện Trong

quá trình đo, ở mạch trong xảy ra các phản ứng điện cực, làm thay đổi nồng độ các chất tham gia phản ứng Khi các phản ứng đạt cân bằng thì dòng điện cũng bị triệt tiêu (pin hết điện)

Cấu tạo pin điện

• Quá trình oxy hóa xảy ra ở ANODE

• Quá trình khử xảy ra ở CATHODE

• Các cation (mang điện dương) di chuyển về phía CATHODE (điện cực dương)

• Các anion ( mang điện âm) di chuyển về phía ANODE (điện cực âm)

• Các electron chạy qua dây dẫn!

• Anode sẽ bị tan ( giảm kích thước)

• Cathode sẽ tang kích thước

+ Đo khi thành phần của pin không đổi, tức tiến hành đo khi không có dòng điện lưu thông trong mạch (dùng volt kế điện tử) Hiệu thế đo được ở hai đầu điện cực được gọi là sức điện động của pin điện, kí hiệu chữ E

• Qui ước dấu của sức điện động:

• Mối quan hệ sđđ và năng lượng Gibbs:

Ta cũng có: ΔG0 = -nFE0

Qui ước viết sơ đồ pin điện

Pin điện là một hệ điện hoá cho phép biến đổi năng lượng của phản ứng

hoá học trên các cực thành điện năng Pin điện hình thành từ sự ghép hai nửa

pin; mỗi nữa pin là một điện cực Phản ứng hoá học trong pin là tổ hợp hai nửa phản ứng mà mỗi nửa phản ứng là một phản ứng điện cực.Từ đây ta có phản ứng anốt (phản ứng oxy hoá) và phản ứng catốt (phản ứng khử)

Để biểu thị một pin điện, người ta sử dụng một sơ đồ mạch theo đó ranh

giới giữa hai pha: rắn và dung dịch được biểu thị bằng một vạch dọc; ranh giới hai

pha: rắn kim loai và hợp chất khó tan được biểu thị bằng dấu phẩy; ranh giới hai

dung dịch qua đó có sự tải ion đươc biểu thị bằng một vạch chấm chấm, trường

hợp thế khuyếch tán được loại trừ ở ranh giới hai dung dịch tiếp xúc nhau dùng

hai vạch dọc

Ví dụ: Zn| ZnSO4(a)|| CuSO4(a)| Cu

Pin nồng độ có tải ion:

Ag,AgCl | HCl(a)￤HCl(a)| AgCl,Ag

5.6 Sức điện động với phương trình Nernst

Nửa phản ứng bên phải: Nn+ + ne  N

Nửa phản ứng bên trái: M  Mn+ + ne

Phản ứng này tự diễn biến một cách thuận nghịch nhiệt động trong

Áp dụng phương trình Van’tHoff vào phản ứng trong pin:

Thay vào ta có:

M N

N M

a a

a a

RT G

N M

a a

a a

nF

RT E

Điện thế tiêu chuẩn E 0

Càng dương sẽ bi khử

Càng âm thì bị oxi hóa

a

a nF

RT

d Ox

Re

0 Re

Re / 



Ag Ag

Ag

a

a F



 / 0 /  ln



• Điện cực loại 2: có dạng sơ đồ tổng quát:

Phản ứng: MA + ne  M + A n-

Phương Nernst:

Hay:

Những điện cực loại 2 phổ biến nhất là điện cực bạc, clorua bạc; điện cực clomel;

điện cực thuỷ ngân oxyt …

-A

0

, / ,

/ ln

a a

a nF

RT

M

MA M

MA A M

MA

A n   n 



n

-A

0

, / ,

nF

RT

M MA A

M MA

A n   n 



• Điện cực khí : đó là một nửa pin gồm một kim loại trơ, thường là Pt hoặc Pt được Pt hoá tiếp xúc đồng thời với khí và dung dịch chứa ion của khí đó

Pin kim loại- không khí

• Nó hoạt động bằng cách oxi hóa kim loại ở cực dương và khử oxi ở cực âm để tạo ra dòng

electron

• Cực dương được làm từ kim loại nguyên chất như Liti và cực âm bên ngoài được làm từ không khí xung quanh

• Giữa chúng tồn tại một chất điện phân nước

• Lợi thế lớn ở đây là chỉ cần lưu trữ kim loại (cực dương) trong pin vì oxy đến từ không khí

• viên pin nhỏ gọn và thời lượng sử dụng lâu hơn.

5.7.Điện hóa học

• Mạ điện

• Điện phân nước

• Sản xuất nhôm kim loại

• Pin điện

Chuyển điện tử trực tiếp

• Trong các phản ứng (oxy hóa khử), các electron được

chuyển và năng lượng được giải phóng

• Loại chuyển giao này không cho phép các electron thực

hiện bất kỳ công việc hữu ích nào

Chúng ta có thể sử dụng năng lượng từ việc chuyển các electron để thực hiện công nếu chúng ta làm cho các electron chạy qua một thiết bị bên ngoài

Điện thế

• Hiệu điện thế giữa cực dương và cực âm trong một tế bào được gọi là điện thế tế bào, và được ký hiệu là Ecell

• Nó là thước đo động lực của phản ứng oxy hóa khử diễn ra trong tế bào

• Điện thế của tế bào được đo bằng vôn (V).

C

Điện phân

• Tế bào điện phân là tế bào điện hóa

thực hiện phản ứng oxi hóa khử

không tự phát thông qua dòng điện

do nguồn bên ngoài cung cấp

• Chúng thường được sử dụng để điện

phân các hợp chất hóa học

Sự điện li của nước là sự phân hủy nước thành khí oxi và khí hiđro do dòng điện chạy qua

Phản ứng có điện thế tiêu chuẩn là −1,23 V, có nghĩa

là lý tưởng nhất là nó yêu cầu chênh lệch điện thế 1,23 vôn để tách nước

đó bị khử trên bề mặt của catốt (kim loại bạn đang phủ)

Mối quan hệ giữa ∆G◦, K , E ◦ cell

5.8 Một số loại Pin

Cấu tạo các loại pin không sạc

Pin Nickel – Cadmium (NiCad)

Pin NiCad chứa một cực dương cadimi và một cực

âm niken bị oxy hóa cao

-Thiết kế này tối đa hóa diện tích bề mặt của các điện cực và giảm thiểu khoảng cách giữa chúng, giúp pin

có dòng xả cao và công suất lớn

- Có thể sạc lại

ô nối tiếp Khi được xử lý đúng cách, loại pin dung lượng cao này có thể được xả và sạc lại nhiều lần

Pin nhiên liệu hydro

tạo ra năng lượng điện trực tiếp từ phản ứng hóa học Hiđro bị oxy hóa thành proton ở cực dương, và các điện tử được chuyển qua mạch bên ngoài đến cực âm, tại đây oxi bị khử và kết hợp với H + để tạo thành

nước Chất điện phân rắn cho phép các proton khuếch tán từ cực dương sang cực âm Mặc dù pin nhiên liệu

là một phương tiện thu năng lượng điện về cơ bản không gây ô nhiễm, nhưng do đó, chi phí và sự phức tạp về công nghệ đã hạn chế ứng dụng của chúng