điện hóa học

1.3 Điện cực Điện cực: là một hệ gồm một thanh dẫn điện kim loại hoặc phi kim như than chì… tiếp xúc với dung dịch chứa một cặp oxi hóa khử liên hợp... 3.3 Điện cực kim lọai – anion muố

1.Phản ứng oxy hóa – khử và cặp oxi hóa khử liên hợp

Sự khử (số oxy hóa giảm)

Sự oxy hóa (số oxy hóa tăng)

Phản ứng oxy hóa – khử

Phản ứng oxy hóa – khử

PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI ELECTRON

Một số thuật ngữ thông dụng:

• Sự oxy hóa – nhường

electron tăng số oxy hóa

• Sự khử – nhận electron

• Chất oxy hóa – nhận electron

• Chất khử – nhường electron

Phản ứng oxy hóa – khử

Phản ứng oxy hóa – khử

1.2 Cân bằng phản ứng

Cu (s) + Ag+ (aq) → Cu2+ (aq) + Ag (s)

Bước 3: Cu → Cu2+ + 2e

2 Ag+ + 2 e → 2 Ag

Bước 4:Cu (s) + 2 Ag+ (aq) → Cu2+ (aq) + 2Ag (s)

Bước 1: Xác định bán phản ứng oxi hóa và khử:

OX: Cu → Cu2+ + 2e RED: Ag+ + e → Ag

B ướ c 2:Cân bằng các bán phương trình

1.3 Điện cực

Điện cực: là một hệ gồm một thanh dẫn điện ( kim loại hoặc phi kim như than chì…) tiếp xúc với dung dịch chứa một cặp oxi hóa khử liên hợp.

Các loại điện cực phổ biến

- Điện cực kim lọai – ion kim loại (điện cực tan)

- Điện cực khí – ion

- Điện cực kim loại – anion muối không tan

- Điện cực trơ

3.1 Điện cực kim lọai – ion kim lọai (điện cực tan)

3.2 Điện cực khí – ion

Chất khí tiếp xúc với cation của nó

H+ (dd) | H2(k) | Pt (r)

Quá trình xảy ra 2H+ (dd) + 2e H ⇋ 2(k)

Nếu áp suất khí H2 bằng 1 atm, a H+=1M, nhiệt độ 250C ta

có điện cực tiêu chuẩn hydro (E=0)

3.3 Điện cực kim lọai – anion muối không tan của kloại

Kim loại tiếp xúc

với muối không tan

của nó đồng thời

tiếp xúc với dung

dịch chứa muối tan

cùng anion.

AgI (r ) + 1e ⇋ Ag (r) + I- (dd)

I-(dd) | AgI(r ) |Ag (r )

4 Pin điện (Nguyên tố Ganvani)

Là một hệ gồm 2 điện cực ghép nối với nhau thành một mạch kín

(-) Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s) (+) Ecell = 1.103 V

Cách biểu diễn nguyên tố Ganvani

• Anot là đi n c c đó xãy ra quá trình oxi hóaệ ự ở

Zn (r ) - 2e → Zn2+

• Catot là đi n c c đó xãy ra quá trình khệ ự ở ử

Cu2+ + 2e → Cu

Cách bi u di n nguyên t Ganvaniể ễ ố

Dùng ký hi u ệ |đ ch s phân cách gi a hai pha; các ch t trong cùng m t pha dùng d u ph y (, );dùng | | đ ể ỉ ự ữ ấ ộ ấ ẩ ể

ch c u mu i; anot đ c vi t bên trái, catot đ c vi t bên ph iỉ ầ ố ượ ế ượ ế ả

(-) Zn(r) | Zn2+ (dd) || Cu2+(dd) | Cu(r) (+)

5 Thế điện cực

5.1 Thế điện cực tiêu chuẩn

Thế điện cực tiêu chuẩn của một cặp oxy hoá -khử là sức điện động của một pin tạo bởi điện cực chuẩn của cặp oxy hoá - khử đó với điện cực hidro chuẩn

Thế điện cực tiêu chuẩn

• Th đi n c c hydro tiêu chu n đ c bi u thế ệ ự ẩ ượ ể ị

Pt(r)| H2 (k, 1atm)| H+ (1M) khi là anot

H+ (1M) | H2 (k, 1atm)| Pt(r) khi là catot

E02H+/H2= 0

• Hi n nay ng i ta th ng dùng đi n c c calomen làm đi n c c so sánh thay cho đi n c c ệ ườ ườ ệ ự ệ ự ệ ự

hydro i n c c này ch t o t kim lo i th y ngân tr n calomen HgĐ ệ ự ế ạ ừ ạ ủ ộ 2Cl2 trong dung d ch KClị

½ Hg2Cl2 (r ) + 1e ⇋ Hg ( l) + Cl- (dd)

So v i đi n c c tiêu chu n hydro th đi n c c chu n c a đi n c c calomen b ng + 0, 2680Vớ ệ ự ẩ ế ệ ự ẩ ủ ệ ự ằ

Bảng thế điện cực tiêu chuẩn ở 250C Bảng thế điện cực tiêu chuẩn ở 250C

5.2 Ý nghĩa của thế điện cực khử tiêu chuẩn

3 Dự đoán khả năng diễn biến của một phản ứng

Vì phản ứng có E0 dương nên phản ứng tự xãy ra

Dạng oxi hóa của cặp có thế điện cực khử lớn

hơn có khả năng nhận electron của dạng khử của cặp

có thế khử nhỏ hơn

6 Phương trình Nernst

Trong đó:

E 0 : Thế điện cực tiêu chuẩn

n: Số e trao đổi

Q: Biểu thức định luật tác dụng khối lượng

Sự phụ thuộc của thế điện cực cũng như sức điện động của một pin được thể hiện bằng phương trình Nernst

E = E 0 - 0,0592

CA aCB b

Ví dụ:

Pt|Fe2+(0.10 M),Fe3+(0.20 M)||Ag+(1.0 M)|Ag(s)

Áp dụng phương trình Nernst để tính E cell .

 Nếu phản ứng có kết tủa tạo ra hay có môi trường phản ứng thì phải tính lại E0’ của các cặp oxi hóa khử.

Ví dụ1: Xét chiều phản ứng:

2Cu2+ + 4I- ⇔ 2CuI ↓ + I2

Biết:

120

Và nồng độ các dạng 1M

HD: Quá trình oxi hóa :

2 / 2

]

[ lg 2

059 ,

EI I I I

] ][

lg[

059 ,

'

0

/ , /

2

− +

CuI I

Cu

878 ,

0 10

1 lg

059 ,

0 17

, 0

1 lg

059 ,

/

2

= +

− +

V E

]

[ lg 059 ,

0

20

/ 2 /

++

+ +

Cu

Cu E

E

Cu Cu

Cu Cu

lg[

059 ,

0

1 lg

059 ,

+ +

T

E

CuI Cu

Cu

• HD: AsO43- + 2e + 2H+ → AsO33- + H2O

+

−+

0

3 3

3 4

3 3

3

H

AsO E

EAsO AsO AsO AsO

Nếu pH=0 => [H+] = 1M và [các dạng] = 1M

0

/ / 33 43 33

V E

I I

AsO AsO

54 , 0

57 , 0

0 2 /

0

/

2

3 3

3 4

• Nếu pH = 8 => [H+] = 10-8M và [các dạng] = 1M

V E

E AsO AsO AsO AsO lg( 10 ) 0 , 098

2

059 ,

0

/ / 33 43 33

Hằng số cân bằng của phản ứng oxi hóa-khử

059 ,

0

)

( 059

, 0

lg

0 0

0

kh

E n

n

E

K = ∆ = −

n: số e trao đổi

Ví dụ: Tính hằng số cân bằng và cho biết chiều của phản ứng:

2Fe3+ + Cu0 ⇔ Cu2+ + 2Fe2+

58 ,

14 059

, 0

) 34 , 0 77

, 0 (

2 059

, 0

)

( lg

7.1 Định nghĩa điện phân

• Đ ệi n phân là quá trình oxi hóa- kh xãy ra trên các đi n c c khi có dòng đi n 1 chi u đi qua ch t đi n ử ệ ự ệ ề ấ ệ

ly tr ng thái nóng ch y ho c dung d chở ạ ả ặ ị

• L u ý : Theo qui c đi n c c, đó có qt oxi hóa (nh ng e) là anot, còn đi n c c mà t i đó xãy ra qt ư ướ ệ ự ở ườ ệ ự ạ

kh (nh n e) là catotử ậ

+ Trong pin anot là c c âm, catot là c c d ngự ự ươ

+ Trong đi n phân catot là c c âm, anot là c c d ngệ ự ự ươ

7.2 Thế phân giải-Quá thế

1) Th phân gi i ế ả : Th hi u t i thi u c a dòng đi n m t chi u đ t vào hai đi n c c c a bình đi n phân đ gây nên s ế ệ ố ể ủ ệ ộ ề ặ ệ ự ủ ệ ể ự

đi n phân ệ

• Th phân gi i c a m t ch t đi n ly b ng th phân gi i c a cation và th phân gi i c a anion, t c là b ng s c ế ả ủ ộ ấ ệ ằ ế ả ủ ế ả ủ ứ ằ ứ

đi n đ ng c a pin t ng ng ệ ộ ủ ươ ứ

• Ví d Th phân gi i c a dd CuCl ụ ế ả ủ 2 và ZnCl2 trong dd 1M là

Dd CuCl2: E0=E02Cl-/Cl2- E0Cu2+/Cu= 1,36-(+0,34) = 1,02V

Dd ZnCl2: E0=E02Cl-/Cl2- E0 Zn2+/Zn= 1,36-(-0,76)= 2,12V

2.Quá thế

• Quá th là hi n t ng khi đ t vào đi n c c m t hi u đi n th b ng th đi n c c nh ng không xãy ế ệ ượ ặ ệ ự ộ ệ ệ ế ằ ế ệ ự ư

ra quá trình đi n phân mà c n m t hi u đi n th cao h nệ ầ ộ ệ ệ ế ơ

• Ví d nh các ion Feụ ư 2+, H+, Ni2+, Co2+…

7.2 Định luật Faraday

• Đị nh lu t 1:Kh i l ng ch t thoát ra t l v i đi n l ng qua bình đi n phân m= kQ ậ ố ượ ấ ỉ ệ ớ ệ ượ ệ

Trong đó k là đ ng l ng đi n hóa v giá tr nó b ng kh i l ng ch t thoát ra đi n c c khi có m t đ n v đi n ươ ượ ệ ề ị ằ ố ượ ấ ở ệ ự ộ ơ ị ệ

l ng đi qua bình đi n phân ượ ệ

Q là đi n l ng có th tính b ng đ n v Faraday (F), ệ ượ ể ằ ơ ị

1F= 96.500 C = 26,8 A.h

• Đị nh lu t 2: Nh ng đi n l ng nh nhau đi qua bình đi n phân làm thoát ra cùng m t s đ ng l ng gam ch t ậ ữ ệ ượ ư ệ ộ ố ươ ượ ấ

C 1 F đi n l ng đi qua bình đi n phân thoát ra 1 đ ng l ng gam ch t b t k ứ ệ ượ ệ ươ ượ ấ ấ ỳ

Thay Q=I.t và = A/n thì bi u th c toán h c c a đ nh lu t là Đ ể ứ ọ ủ ị ậ

m= (A.I.t)/(n.F)

Alà n.t.g; I c ng đ dòng đi n (Ampe); t là th i gian(giây), ươ ộ ệ ờ

F= 96500 C

1.0 M

Zn +2

-Anode Cathode

Một số nguồn điện hóa thông dụng

Pin

Acqui

Sự điện phân

Một số nguồn điện hóa thông dụng

Pin

Một số nguồn điện hóa thông dụng

Acqui

Acqui chì g m hai t m chì khoét nhi u l ch a PbO nhúng trong dung d ch H ồ ấ ề ỗ ứ ị 2SO4 n ng đ 25% – 30% , lúc này x y ồ ộ ả

ra ph n ng: ả ứ

PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O

•Khi n p i n ạ đ ệ (s c):ạ

C c (+) ự : PbSO4 - 2e- + 2H2O = PbO2 + SO42- + 4H+

C c (-) ự : PbSO4 + 2e- = Pb + SO42-

Nh th trong c acqui x y ra ph n ng: ư ế ả ả ả ứ

2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4

và PbSO4 c c âm bi n thành chì ho t đ ng, c c d ng bi n thành PbO ở ự ế ạ ộ ở ự ươ ế 2.

• Khi acqui ho t đ ng s x y ra quá trình ạ ộ ẽ ả phóng i n đ ệ :

C c (-) ự : Pb - 2e- + SO42- → PbSO4

C c (+) ự : PbO2 + 2e- + 4H+ + SO42- → PbSO4 + 2H2O

Nh th trong c acqui x y ra ph n ng: ư ế ả ả ả ứ

Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

Một số nguồn điện hóa thông dụng

Sự điện phân

1 Dung dịch keo

• - Dung dịch có pha phân tán có kích thước từ 10−7-10−9m được gọi là dung dịch keo.

• - Các hạt của pha phân tán được gọi là hạt keo.

• - Do kích thước của pha phân tán rất nhỏ nên hiện tượng bề mặt trong dung dịch keo đóng vai trò quan trọng

- Chúng ta chỉ khảo sát hệ keo có môi trường phân tán là pha lỏng

bọc bằng một lớp vỏ solvat Khi môi trường phân tán là nước thì gọi là keo ưa nước

phân tán là nước thì gọi là keo kỵ nước

Phân loại:

Muối của acid béo có đầu kị nước là dây hiđrôcacbon và đầu ưa nước là đầu chứa nhóm phân cực (VD: nhóm OH, NH, COO)

Trong nước các phân tử có hai đầu ưa nước và kỵ nước sắp xếp sao cho các đầu kỵ nước chụm lại với nhau tạo thành phân tử khổng lồ Đầu ưa nước quay ra ngoài để tăng độ tan

Dầu mỡ là chất kỵ nước nên không dễ tan trong nước

Nếu thêm xà bông là chất mà phân tử có hai đầu khác nhau: kỵ và ưa nước

Đầu kị nước là dây hiđrôcacbon bám vào hạt dầu và đầu ưa nước là đầu chứa nhóm COO

Đầu ưa nước quay ra ngoài làm mỡ dễ phân tán trong nước

Ví dụ: CH3[CH2]16 COO-Na+

2 Cấu tạo của hạt keo

• - Xét một hạt keo sắt (III) hydroxid Khi thủy phân FeCl3 trong nước nóng tạo thành kết tủa Fe(OH)3 theo phương trình phản ứng:

• FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3↓ + 3HCl

• - Sắt (III) hydroxid nằm dưới dạng những hạt rất mịn tạo thành nhân keo:

• mFe(OH)3 [Fe(OH)3]m

Sơ đồ cấu tạo của mixen của keo sắt (III) hydroxid

• - Bề mặt nhân keo hấp phụ các ion Fe3+ có trong dung dịch tạo thành lớp ion bị hấp phụ:

• [Fe(OH)3]m + nFe3+ [Fe(OH)3]m.nFe3+

• - Các ion Fe3+ nằm trên bề mặt nhân keo sẽ hút các ion Cl− tích điện âm lại gần tạo thành lớp đối

ion bị hấp phụ:

[Fe(OH)3]m.nFe3+ + xCl− {[Fe(OH)3]m.nFe3+.xCl−}(3n-x)+

• Toàn bộ hạt keo lúc này tích điện dương (3n-x) Một phần các đối ion Cl− khác ở cách xa nhân hơn

tạo thành lớp đối ion khuyếch tán Tất cả các hợp phần này tạo thành mixen:

nhân lớp ion lớp đối lớp đối ion

phụ hấp phụ

hạt keo

mixen

Tính bền vững:

• - Do sự tích điện cùng dấu của các hạt keo

• - Đối với keo ưa nước, do lớp vỏ hydrat quyết định Lớp vỏ này không cho các hạt keo kết tụ lại với nhau

• - Do chuyển động nhiệt hỗn loạn của các hạt keo, song yếu tố này là thứ yếu

3 Tính chaát cuûa dung dòch keo

• - Các tính chất: độ giảm áp suất hơi bão hòa, độ tăng nhiệt độ sôi, độ giảm nhiệt độ hóa rắn, áp suất thẩm thấu,… của dung dịch keo thể hiện yếu hơn so với dung dịch thật

• Do với nồng độ mol bằng nhau thì số tiểu phân có trong một đơn vị thể tích của dung dịch thật bao giờ cũng lớn hơn nhiều so với dung dịch keo

•

Tính hoạt động bề mặt của hạt keo :

tích của hạt keo và nhiều tính chất khác

4 Sự đông tụ keo

• Quá trình đông tụ keo x y ra khi: ả

- Loại keo kỵ nước khi đông tụ sẽ không kéo nước theo nên kết tủa dưới dạng bột rất mịn hoặc dạng bông

- Loại keo ưa nước khi đông tụ sẽ kéo theo một lượng nước tương đối lớn tạo thành kết tủa dạng nhầy

Ví d : Th t đôngụ ị

Đông tụ keo bằng chất điện ly

• - Khi cho một chất điện ly vào dung dịch keo thì hạt keo sẽ hấp phụ thêm các ion ngược dấu nên điện tích của hạt keo giảm nhanh làm cho keo đông tụ

• - Các keo ưa nước có lớp vỏ hydrat bền vững nên muốn đông tụ phải sử dụng một lượng chất điện ly lớn hơn nhiều so với trường hợp keo kỵ nước

Đông tụ keo bằng keo tích điện trái dấu

• - Khi trộn lẫn hai dung dịch keo tích điện trái dấu thì các keo tích điện trái dấu sẽ trung hòa lẫn nhau và kết tụ xuống

• - Ví dụ: để kết tủa các hạt keo đất trong nước sông tích điện âm, khi thêm phèn nhôm

KAl(SO4)2.12H2O thì Al3+ trong phèn thủy phân tạo thành keo mang điện tích d ơng trung hòa ưvới keo âm của đất nên chúng đông tụ xuống

• - Một số chất keo khi đun nóng sẽ bị đông tụ do khi nhiệt độ tăng thì sự hấp phụ ion giảm, do đó làm giảm điện tích của hạt keo.

Đông tụ keo bằng cách đun nóng

Ứng dụng của các dung dịch keo

• - Các ứng dụng của dung dịch keo rất rộng rãi cũng như sự phong phú và đa dạng của chính các dung dịch keo

• - Hầu hết các thực phẩm và các tiểu phân của cơ thể chúng ta (chất béo, protit, hydratcarbon,…) là các chất keo

• - Khói, sương mù, không khí bị ô nhiễm, nuớc tự nhiên, nước thải cũng là những hệ keo

• - Như vậy, việc nghiên cứu các hệ keo có ý nghĩa cả về phương diện khoa học lẫn thực tiễn