bài tập điện li và điện hóa

Điện hóa là tên gọi một lĩnh vực trong hóa học nghiên cứu về mối liên hệ giữa các quá trình hóa học và dòng điện. Một phản ứng hóa học xảy ra khi có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có một hiệu điện thế, đây là những quá trình điện hóa. Trong các quá trình này luôn tồn tại đồng thời hai hiện tượng: ôxi hóa và ôxi hóa khử (phản ứng ôxi hóa khử1799: Alexandro Volta lần đầu tiên chế tạo ra pin hoạt động được, trước đấy Luigi Galvani đã có nhiều thí nghiệm trên đùi ếch, các cơ chúng co lại khi chạm vào kim loại khác nhau1832: Michael Faraday phát hiện ra định luật cơ bản về điện hóa1929: Jaroslav Heyrovský nghiên cứu về phương pháp cực phổ và nhận được giải Nobel hóa học cho công trình này vào năm 19591969: tế bào nhiên liệu hiđrô đã được nghiên cứu và dùng trong chương trình Apollo, chúng không chỉ là nguồn điện mà còn cung cấp cả nước cho phi hành đoàn

Khi biết tích số tan T có thể tính được độ tan S của chất điện li khó tan

Ví dụ : Cho tích số tan của Zn(OH)2 ở 25 o C bằng 1.10−17 Tính độ tan (theo mol/lit) của Zn(OH) 2 ở 25 o C trong nước và trong dung dịch ZnCl 2 0,1 mol/lit

1 MaMH - Chuong V

• Khi biết độ tan có thể tính tích số tan của chất điện li :

Ví dụ : Tính tích số tan của CaSO4 ở 20 o C, biết độ tan của nó

ở nhiệt độ trên là 1,5.10−2 mol/lit

• Điều kiện kết tủa và hòa tan chất điện li khó tan :

Hòa tan : Tích số nồng độ các ion (với số mũ tương ứng) của chất

điện li trong dung dịch nhỏ hơn tích số tan của nó ở nhiệt độ

khảo sát

n

m B A

n m m

A

n

m B A

n m m

A

3 MaMH - Chuong V

Ví dụ : Có kết tủa CaSO4 tạo thành hay không khi trộn lẫn những thể tích bằng nhau của 2 dung dịch CaCl 2 và H 2 SO 4 có nồng độ tương ứng bằng 0,5 và 0,1 mol/lit (ở 20 o C) ?

CHƯƠNG VI : ĐIỆN HÓA HỌC

I PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ :

II PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ DÒNG ĐIỆN :

III SỰ ĐIỆN PHÂN

CHƯƠNG VII : ĐIỆN HÓA HỌC

I PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ :

1 Định nghĩa :

Là các phản ứng xảy ra có kèm theo sự thay đổi số oxy hóa của

các nguyên tố tham gia phản ứng

Oxy hóa (I) + khử (II) ↔ khử (I) + oxy hóa (II).

Ví dụ : Cu 2+ + Zn → Cu + Zn 2+ (*)

Zn Zn 2+

- 2e + 2e

Quá trình oxy hóa Quá trình khử

Zn và Cu được gọi là dạng khử, Zn2+ và Cu 2+ được gọi là

dạng oxy hóa

chất khử là Zn và oxy hóa là Cu 2+

2 Chất khử, chất oxy hóa, quá trình oxy hóa, chất khử :

3 Cặp oxy hóa khử :

Trong phản ứng oxy hóa khử, dạng oxy hóa có thể biến thành dạng khử và ngược lại gọi là cặp oxy hóa khử Ký hiệu ox/kh

Fe 3+ oxh Fe 2+

II PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ DÒNG ĐIỆN :

- Nếu tiến hành phản ứng oxy hóa-khử, bằng cách cho chất oxy hóa và chất khử tiếp xúc trực tiếp một cách bình thường thì

hóa năng của phản ứng chuyển thành nhiệt năng

- Nếu không cho các chất oxy hóa và khử tiếp xúc trực tiếp, mà xảy ra ở 2 nơi khác nhau trong không gian, còn electron sẽ không chuyển trực tiếp mà qua dây dẫn kim loại

→ sẽ có một dòng điện xuất hiện chạy qua dây dẫn, nghĩa là

trong trường hợp này hoá năng của phản ứng chuyển thành điện

năng g

2 Nguyên tố galvanic :

a Cấu tạo và hoạt động :

- Nguyên tố galvanic được cấu tạo từ 2 điện cực nối với nhau

bằng một dây dẫn kim loại

Điện cực đơn giản gồm 1 thanh kim loại nhúng trong dung dịch chất điện li của nó

Ví dụ : Khảo sát nguyên tố galvanic Cu−Zn (pin Jacobi−Daniell)

gồm 2 điện cực đồng và kẽm ( 2 dung dịch CuSO 4 , ZnSO 4 được ngăn cách với nhau bằng màng xốp; 2 thanh Cu, Zn được nối với nhau bằng dây dẫn

- Hoạt động của nguyên tố Cu−Zn :

Zn (-) (+) Cu

CuSO 4 ZnSO 4

* Ở điện cực kẽm : kẽm hoạt động hơn đồng nên thanh kẽm bị

hòa tan, nghĩa là xảy ra quá trình oxyhóa kẽm

Zn − 2e ⇔ Zn 2+

* Ở điện cực đồng : diễn ra quá trình kết tủa đồng trên thanh đồng , nghĩa là xảy ra quá trình khử ion đồng

Cu 2+ + 2e ⇔ Cu

⇒ quá trình điện hóa hay quá trình điện cực

Nguyên tố galvanic hoạt động :

Trên các điện cực xảy ra các quá trình điện hóa; điện cực có

quá trình oxyhóa xảy ra là điện cực âm,

electron từ điện cực kẽm chuyển sang điện cực đồng

còn điện cực có quá trình khử xảy ra là điện cực dương ;

- Ký hiệu nguyên tố galvanic :

Nguyên tố Cu−Zn : (−) Zn  Zn 2+  Cu 2+  Cu (+)

Tổng quát : (−) M I  M I n+  M II m+  M II (+)

Sức điện động E của nguyên tố galvanic :

a- Khái niệm về thế điện cực :

- Thế điện cực là đại lượng thế hiệu đặc trưng cho quá trình

điện cực hay điện cực và thường được ký hiệu là ϕ

- Giữa ϕ và ∆G cũng có mối quan hệ :

∆G = − nF ϕ và ∆Go = − nF ϕo

ϕo : thế điện cực tiêu chuẩn ứng với nồng độ các chất tham gia quá

trình điện cực đều bằng 1 đơn vị ; n : số electron trao đổi trong quá trình điện cực

- Sức điện động của nguyên tố galvanic :

E = ϕ(+) − ϕ(−) và E o = ϕo

(+) − ϕo

(-)

Ví dụ : Sức điện động tiêu chuẩn của nguyên tố galvanic

Cu−Zn

V 1 , 1 )

76 , 0 ( 34 , 0

Eo Cu−Zn = ϕ( o+) − ϕ( o−) = ϕCu o − ϕZn o = − − =

b- Phương trình Nernst :

] kh [

] oxh

[ ln nF

RT

o +

= ϕ

n : số electron trao đổi trong quá trình điện cực

F : số Faraday [Ox], [Kh] : tích nồng độ các chất tham gia dạng oxyhóa dạng khử

ϕ phụ thuộc vào bản chất chất tham gia quá trình điện cực (ϕo ), nhiệt độ (T) và nồng độ các chất tham gia quá trình điện cực ([ ])

(*) Khi thay R = 1,987 cal/mol.độ (8,31J/mol.độ),

F = 23062 (96500), T = 298 o K

] kh [

] oxh

[ lg n

059 ,

0

= ϕ ϕ

Thế điện cực tiêu chuẩn ϕo là thế của quá trình điện cực đã cho khi nồng độ các chất tham gia quá trình đó đều bằng 1 đơn vị

- Đối với kim loại thì dạng khử là kim loại rắn, dạng oxy hóa là

ion kim loại nên phương trình Nernst đối với kim loại có thể viết :

ϕ = ϕ0 + (0,059/n)lg[M n+ ]

• Zn ⇔ Zn 2+ + 2e :

] Zn [

] Zn

[ lg 2

059 ,

o Zn Zn

+

+

= ϕ ϕ

Ví dụ : Cu 2+ + Zn → Cu + Zn 2+ (*)

-Chiều của phản ứng được xác định theo quy tắc: dạng oxy hóa của

cặp oxy hóa khử có ϕ lớn hơn sẽ oxy hóa dạng khử của cặp oxy hóa khử có ϕ nhỏ hơn.

VD : Pin niken – kẽm được cấu tạo từ điện cực Ni (+) và điện cực Zn (–) , được ký hiệu:

(–) Zn / Zn 2+ // Ni 2+ / Ni(+)

Tính sức điện động của pin

Tính sức điện động và cho biết các quá trình điện cực, phản ứng oxy hoá - khử xảy ra trong pin (–) Mg / Mg 2+ // Zn 2+ / Zn (+) :

a) Ở điều kiện chuẩn :

b) Khi [Mg 2+ ] = 0,1 mol/ lit ; [Zn 2+ ] = 0,01 mol/ lit.

Ví dụ : Cho nguyên tố Galvanic (-) Zn/ ZnSO 4 // CuSO 4 / Cu (+)

a) Hãy viết các phản ứng xảy ra ở các điện cực

b) Xác định sức điện động tiêu chuẩn của nguyên tố Galvanic trên Cho biết thế điện cực tiêu chuẩn của Cu 2+ / Cu và Zn 2+ / Zn có giá trị lần lượt là 0,34 V ; - 0,76 V

- Điện phân là quá trình phản ứng oxy hóa khử xảy ra trên các bề mặt điện cực khi có dòng điện đi qua trong đó tại catod xảy ra quá trình khử (nhận e), còn anod xảy ra quá trình oxi hóa (cho e)

III SỰ ĐIỆN PHÂN

Do ở catod sẽ xảy ra quá trình khử các cation và anod xảy ra

quá trình oxi hóa các anion.

- Đối với quá trình oxy hóa ở anod (+) chất nào có tính khử mạnh hơn (thế điện cực nhỏ hơn) sẽ ưu tiên phản ứng trước Đối với quá trình khử ở catod (-) chất nào có tính oxy hóa mạnh hơn (ϕ lớn hơn) sẽ ưu tiên phản ứng trước.