nghiên cứu, chọn lựa và hệ thống những kiến thức lí thuyết cơ bản, trọng tâm, những bài tập điển hình để soạn ra một chuyên đề giảng dạy về pin điện

ĐẶT VẤN ĐỀ Một trong những nội dung cơ bản , quan trọng của phần điện hoá học là pin điện, sức điện động của pin và thế điện cực chuẩn của kim loại.. TẾ BÀO ĐIỆN HOÁ ô điện hoá : Là một

ĐẶT VẤN ĐỀ

Một trong những nội dung cơ bản , quan trọng của phần điện hoá học là pin điện, sức điện động của pin và thế điện cực chuẩn của kim loại Những kiến thức đó giúp ta giải thích nhiều vấn đề trong thực tiễn như sự ăn mòn kim loại, khả năng phản ứng của kim loại khác nhau với dung dịch axit, dung dịch muối Mặt khác , nó còn giúp ta biết cách thiết lập các cặp pin có khả năng hoạt động tốt, xác định được sức điện động của pin

Trong những năm qua, đề thi học sinh giỏi Quốc gia thường hay đề cập tới phần pin điện dưới nhiều góc độ khác nhau Tuy nhiên, trong sách giáo khoa phổ thông , do điều kiện giới hạn về thời gian nên những kiến thức trên chỉ được

đề cập đến một cách sơ lược Qua thực tiễn giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia nhiều năm tôi đă nghiên cứu, chọn lựa và hệ thống những kiến thức lí thuyết cơ bản, trọng tâm, những bài tập điển hình để soạn ra một chuyên đề giảng dạy về pin điện giúp cho học sinh hiểu sâu và vận dụng được tốt những kiến thức trên vào việc giải các bài tập

Nội dung gồm:

PHẦN A: Kí hiệu cho hệ điện hoá theo công ước của IUPAC (1968)

I. Tế bào điện hoá

II. Điện cực

III. Tế bào Galvani

PHẦN B: Giới thiệu một số bài tập áp dụng

C C

C P

H + M

n

E = E 0 + ln C (1a)

R T

n F

NỘI DUNG

PHẦN A: KÍ HIỆU CHO HỆ ĐIỆN HOÁ THEO CÔNG ƯỚC CỦA IUPAC (1968)

I TẾ BÀO ĐIỆN HOÁ (ô điện hoá) :

Là một hệ gồm 2 điện cực là hai vật dẫn điện loại một (vật dẫn điện electron: dây dẫn) nhúng vào một hay hai dung dịch điện li hoặc chất điện li nóng chảy( vật dẫn loại 2: dẫn điện nhờ ion) Một điện cực cùng với chất điện li của

Điện cực Zn nhúng vào dung dịch ZnSO4

Điện cực Cu nhúng vào dung dịch CuSO4

Zn │ ZnSO4 ││ CuSO4 │ Cu

∗ Phân loại tế bào điện hoá: 2 loại

- Tế bào Galvani (hay ô Galvani):

Những tế bào điện hoá sinh ra dòng điện nhờ phản ứng oxi hoá - khử tự phát xảy ra trong đó ( hoá năng biến thành điện năng) Khi đó phản ứng hoá học trong tế bào có ∆G < 0 và E > 0

Là những tế bào điện hoá trong đó xẩy ra quá trình oxi hoá- khử cưỡng bức dưới tác động của nguồn điện ngoài (Khi đó tế bào điện hoá tiêu thụ công điện biến thành hoá năng trong sản phẩm điện phân.) Khi đó phản ứn trong tế bào điện hoá có ∆G > 0 và E < 0.

(Tế bào: Hệ đơn giản nhất)

II ĐIỆN CỰC:

1 KN: Mỗi tế bào điện hoá có hai điện cực Mỗi điện cực nhúng vào dung

dịch điện li tạo thành một ngăn điện cực → Tại mỗi điện cực có có một cặp oxi

E = E 0 + lg (3)

0,059 n

C C

C P

H + M

0,059 n

E = E 0 + ln C (1a)

R T

n F

hoá - khử Khi tế bào điện hoá hoạt động có dòng điện chạy từ điện cực này sang điện cực kia trên bề mặt điện cực xảy ra sự oxi hoá hoặc sự khử ( nửa phản ứng oxi hoá hoặc nửa phản ứng khử)

Catot: Là điện cực tại đó luôn xảy ra nửa phản ứng khử:

Anot: Là điện cực tại đó luôn xảy ra nửa phản ứng oxi hoá:

Kh a - ne → Ox a hoặc

→

( Cả hai loại tế bào Galvani và điện phân đều như vậy)

-Trong tế bào Galvani: Catot (+) còn Anot (-)

-Trong tế bào điện phân: Catot (-) còn Anot (+)

∗ Phương trình Nernst cho thế điện cực:

Trong trường hợp chung điện cực được xét không phải là điện cực có điều kiện tiêu chuẩn Chẳng hạn với sơ đồ pin:

2 Phân loại điện cực

∗ 1- Đơn chất tiếp xúc với ion của nó trong dung dịch

+ Điện cực kim loại: Một thanh kim loại nhúng vào trong dung dịch muối của

E = E 0 - lg (2)

0,059 n

E = E 0 + lg (3)

0,059 n

T [ Hg22+ ] = [ Cl - ] 2

E = E 0 + lg (9)

0,059 n

T [ Cl - ] 2

C C

C P

H + M

Phản ứng ở điện cực Mn+ (aq) + ne M (r)

Thế điện cực được xác định bằng biểu thức Nernst:

[Kh] phụ thuộc vào số nguyên tử nằm trên bề mặt → không đổi nên:

+ Điện cực khí: Gồm một thanh kim loại trơ (hay graphit) đóng vai trò vật

dẫn điện đồng thời là vật mang các phân tử khí , được nhúng trong dung dịch chứa ion tương ứng và được bão hoà bằng khí tương ứng (Điện cực tiếp xúc đồng thời với khí và dung dịch chứa ion của nó)

Được viết: Pt (r) │ X 2 (k) │X n+ (aq)

Vì E0 = 0 và thông thường P = 1 atm nên (3) có dạng:

∗ 2 - ( Điện cực oxi hoá - khử): Kim loại trơ điện hoá(hoặc graphit) nhúng

vào dung dịch chứa đồng thời dạng oxi hoá và dạng khử của cặp oxi hoá khử

Ph¶n øng x¶y ra ë ®iÖn cùc cã d¹ng tæng qu¸t:

E = E 0 - lg (2)

0,059 n

T [ Hg22+ ] = [ Cl - ] 2

E = E 0 + lg (9)

0,059 n

T [ Cl - ] 2

E = E 0 + lg (10) 0,059

n T

Thế của điện cực đợc xác định theo phơng trình:

Hay:

VD: Pt │ Fe 2+ , Fe 3+ là điện cực oxi hoỏ - khử vỡ lỳc này chỉ xảy ra :

Fe3+ + e Fe2+

Sản phẩm của sự khử (Fe2+) và sản phẩm của sự oxi hoỏ (Fe3+) khụng thoỏt

ra trờn điện cực mà vẫn ở trong dung dịch

∗ 3 - Kim loại tiếp xỳc với một muối ớt tan của nú trong dung dịch của một muối khỏc cú cựng anion, được viết: M(r) │ MX(r) │ Xn- (aq)

E = E 0 - lg (7)

0,059 n

T [ Cl - ] 2

MX(r) + ne M(r) + X

n-(aq)

Ox + ne Kh

3 Điện cực hiđro tiêu chuẩn, điện cực tiêu chuẩn, thế điện cực tiêu chuẩn

a Điện cực hiđro tiêu chuẩn

• Cấu tạo: Điện cực gồm một bản platin phủ muội (bột mịn) platin trên bề

mặt , hấp phụ khí H2 ở P = 1atm ở 298K nhúng vào dung dịch có nồng độ H+ 1M

Sơ đồ của điện cực hiđro tiêu chuẩn được viết:

Pt │ H2 (1 atm) │H+ ( C = 1.0M)

Quy ước: Tại 250C E0 2H+ /H2

= 0,00 V

b Điện cực tiêu chuẩn: Trong điện cực tiêu chuẩn nồng độ chất tan là 1 mol/

lit , chất khí (nếu có mặt) có áp suất riêng phần bằng 1 atm tại 250C

c Thế điện cực tiêu chuẩn( E 0 ) : Thế điện cực đo được ở điều kiện tiêu

chuẩn

Khi một pin được tạo ra từ hai điện cực tiêu chuẩn thì suất điện động của pin chỉ còn:

E pin = E0 pin

E0 pin được xác định bằng thực nghiệm như sau:

Lập một pin gồm điện cực hiđro tiêu chuẩn ở bên trái với điện cực tiêu

chuẩn của điện cực cần xét ở bên phải

Chẳng hạn , ta cần khảo sát điện cực M │ Mn+ pin được lập như sau:

Pt │ H2 (1 atm) │ H+ ││ Mn+ (C = 1,0M) │ M

Theo quy ước: E0 2H+ /H2 = 0,00V

E pin = E phải - E trái = E0 M n+ /M - E0 2H+ /H2

( Trong thực tế , để làm điện cực so sánh người ta thường dùng điện cực calomen

do điện cực calomen có thế rất ổn định, độ lặp lại cao, dễ sử dụng và đễ bảo quản).

III TẾ BÀO GALVANI (pin Galvani hay Pin điện hoá )

Jacobi)

∗ Kết quả: Kim điện kế lệch → trong mạch có dòng điện

2 Giải thích hoạt động của pin:

dd ZnSO4

1M

→ dd CuSO4 1M

∗ Xét điện cực Zn │Zn2+:

Zn Zn2+ + 2e

(với các nguyên tử Zn ở bề mặt)

K

+ Các eletron tích tụ ở thanh Zn → thanh Zn tích điện âm

Tương tự như một tụ điện: - Một bản là Zn

Điện cực Cu có thế cao hơn → electron chuyển từ Zn → Cu

Vậy : Muốn biến hoá năng → điện năng ta phải thực hiện sự oxi hoá ở một nơi

và sự khử ở một nơi và cho electron chuyển từ chất khử sang chất oxi hoá qua một dây dẫn.

Đó là nguyên tắc hoạt động của mọi pin

→ Pin : là dụng cụ cho phép sử dụng sự trao đổi electron trong các phản ứng oxi

hoá - khử để sản sinh ra dòng điện (hoá năng biến thành điện năng)

Khi pin hoạt động :

+ Các cation chuyển rời từ trái → phải, cùng chiều với chiều chuyển động của các electron trong dây dẫn

+ Chiều dòng điện mạch ngoài ngược chiều với chiều chuyển động của các electron.

∗ Cầu muối : Bằng ống thuỷ tinh bên trong chứa thạch được tẩm dung dịch bão

hoà của chất điện li thích hợp ( KCl hoặc KNO3) Hai đầu của cầu muối đều có lớp xốp để SO4- có thể đi qua, thường là bông thuỷ tinh Có tác dụng đóng kín

mạch để cho pin hoạt động.

∗ Thanh kim loại : Vừa đóng vai trò dạng khử vừa đóng vai trò vật dẫn

2 Phân loại pin:

Người ta thường phân chia hai loại pin dựa vào cơ sở tạo ra nguồn điện :

* Mạch hoá học hay pin hoá học: Khi pin làm việc có phản ứng hoá học xảy

a Cơ sở để viết sơ đồ pin:

Ta xét mạch điện hoá Đanien - Jacôbi:

Trong tường hợp mạch Đanien - Jacôbi , sơ đồ đó như sau:

(-) Zn │ ZnSO4 ( C )││CuSO4 ( C )│Cu (+)

Hoặc : (-) Zn │ Zn2+ ( C ) ││ Cu2+ ( C ) Cu (+)

Vậy : Cơ sở để viết sơ đồ pin là gì? Ta biết rằng pin là dụng cụ trong đó năng

lượng của phản ứng hoá học biến thành năng lượng dòng điện Vậy phản ứng

Sơ đồ mạch điện hoá hay Sơ đồ pin

hoá học dùng làm cơ sở của pin phải là phản ứng tự xảy ra ở điều kiện được xét Nghĩa là phản ứng này có ∆G < 0

Theo biểu thức liên hệ giữa ∆G và Epin :

∆G = - n F E pin → Epin > 0

Từ đó ta có qui ước sau đây:

Sức điện động của pin sẽ dương ( Epin hoặc E 0 pin > 0) nếu khi pin làm việc trong sơ đồ pin các cation chuyển rời từ trái → phải, trong dây dẫn các electron cũng chuyển rời theo chiều đó.

Vậy để có E pin > 0 cần có :

Điện cực bên trái : cực âm ( anot)

Điện cực bên phải : Cực dương ( catot)

∗ Vậy: khi xác định pin:

• Điện cực có thế khử chuẩn (tiêu chuẩn) lớn hơn được làm cực dương (catot)

luôn ở bên phải

• Điện cực có thế khử chuẩn (tiêu chuẩn) nhỏ hơn được làm cực âm (anot)

luôn ở bên trái

b Kí hiệu của tế bào điện hoá:

Anot ( trái ) Catot ( phải )

- Bề mặt phân chia giữa hai pha , kí hiệu : │

- Bề mặt tiếp giáp giữa 2 dd điện li , kí hiệu : ││ hoặc

+ Kí hiệu : ││khi giữa hai dd nối với nhau qua một cầu muối để loại trừ thế khuyếch tán

+ Kí hiệu : khi giữa hai dd không có cầu nối → xuất hiện thế khuyếch tán do sự trao đổi không tương đương các ion

Vải ngăn ami ăng

2 dd tiếp xúc nhau,tốc độ khuyếch tán không đều giữ Zn 2+→

← Cu 2+

→ Chênh lệch điện tích + chênh lệch điện thế → thế khuyếch tán (đóng góp một

phần vào sức điện động)

Để tránh điều đó ta nối hai dung dịch bằng cầu nối chứa ddKCl đđ Quá trình khuyếch tán chủ yếu là K+ , Cl- từ dd KCl đ đ vào 2 dd ở hai bên

v khuyếch tán của Cl- ≈ v khuyếch tán của K+ → Thế khuyếch tán bị loại trừ.

CuSO4 và ZnSO4 có tính chất lí hoá khác nhau → ngăn cách nhau cầu nối

- Nếu điện cực hoặc dd gồm nhiều chất thì giữa các chất có dấu phẩy.

Chú ý: * Để viết đầy đủ tế bào điện hoá cần phải:

- Viết nửa phản ứng ở catot, nửa phản ứng ở anot rồi cộng lại được

phản ứng tổng cộng

- Xác định catot (quá trình khử) , xác định anot (quá trình oxi hoá)

- Viết kí hiệu của tế bào điện hoá

* Trong trường hợp các cặp oxi hoá - khử mà cả dạng oxi hoá và dạng khử

đều là các ion trong dung dịch ( VD: Fe 3+ /Fe 2+ , Sn 4+ / Sn 2+ , MnO 4- ) hay một trong các dạng đó ở thể khí hoặc thể lỏng (VD: H + /H 2 , Cl 2 / Cl - , Hg 2 2+ /Hg ) người ta phải dùng một kim loại trơ làm vật dẫn điện (Pt) , trong một số trường hợp người ta dùng graphit).

Kí hiệu pin dùng vật dẫn trơ:

(-) Pt │ Fe2+ , Fe3+ ││ Sn4+ , Sn2+ │ Pt (+)

(-) Pt │ H2 │ H+ ││ Cl- │ Cl2 │ Pt (+)

hoặc (-) (Pt) H2 │ H+ ││ Cl- │ Cl2 │ (Pt) (+)

(-) Pt , H2 │ H+ ││ Cl- │ Cl2 , Pt (+)

PHẦN B: GIỚI THIỆU MỘT SỐ BÀI TẬP ÁP DỤNG

B

ài tâp1: Có các điện cực: Cu/Cu2+; Mg/Mg2+, (Pt)Cl2/Cl

-a) Hãy viết sơ đồ pin dùng để xác định thế tiêu chuẩn của mỗi điện cực đó theo qui ước Viết PTPƯ xảy ra trên mỗi điện cực và trong pin

An«t (-) : qt oxi ho¸ : H2 2H+ + 2e

Cat«t (+) : qt khö : Cu2+ + 2e Cu

→ Phản ứng trong pin: H2 + Cu 2+ 2H+ + Cu

(Pt) H2 ( PH2= 1atm)│H+ (CH+=1M) ║ Mg2+ (C=1M)│Mg (2) Anôt (-) : qt oxi hoá: H2 2H+ + 2e

Catôt (+): qt khử: Mg2+ + 2e Mg

→ Phản ứng trong pin: H2 + Mg2+ 2H+ + Mg

(Pt) H2 ( PH 2= 1at)│H+ (CH+=1M) ║Cl- (C=1M)│Cl2 (Pt) (3) (-) Anôt: qt OXH: H2 2H+ + 2e

Dựa vào theo đề: thì pin (1) và (3) là không thay đổi

E0 < 0 → pin (2) được viết lại:

a) Fe, Mg, Al tan được trong HCl

b) Cu, Ag không tan trong HCl

c) Fe khử được Cu2+

d) Ag không khử được ion Cu2+

Bài làm:

Eo < Eo → H+ là chất oxi hoá mạnh, M là chất khử mạnh → do đó phản ứng:

M + nH+ → Mn+ + (n/2) H2

→ E0 ; Eo ; Eo < Eo = 0

Do đó Fe, Mg, Al tan được trong HCl

b, c, d giải thích tương tự dựa vào thế của các cặp tương ứng

1. Viết sơ đồ pin dùng để xác định Eo Chỉ rõ cực dương, cực âm

2. Cho biết sức điện động của pin, phản ứng xảy ra trong pin theo qui ước và theo thực tế

3. Nếu ghép 2 điện cực tiêu chuẩn Ag và Ni thì sức điện động của pin Epin=? Phản ứng trong pin như thế nào?

1. Viết sơ đồ pin để xác định các thế khử chuẩn và viết phương trình phản ứng xảy ra khi pin hoạt động.

2. Hãy viết các sơ đồ pin khi ghép điện cực Fe với điện cực Cu, điện cực Cu với điện cực Ag Viết phương trình phản ứng và tính E0pin

cùc d¬ng (cat«t): qt khö Cu2+ + 2e Cu

→ Phản ứng trong pin: H2 + Cu2+ Cu + 2H+

H2 (Pt)│H+ (C = 1M)││Ag+ (C = 1M)│Ag (1/2)H2 + Ag+ Ag + H+

→ Cu/Cu2+ : cực dương (catôt)

Fe/Fe2+ : cực âm (anôt)

E0Ag /+ Ag > EoCu2 +/Cu

→ Ag/Ag+ : cực dương (catôt)

Cu2+/Cu: cực âm (anôt)

NO3-, H+/ NO, H2O 0,96V (3)

NO3-, H2O/ NO2- 0,1V (4)

Al3+/Al -1,66V (5)

Dựa vào số liệu trên hãy:

1. Lập các pin; Epin (ghi kết quả theo thứ tự giảm dần)

2. Viết phương trình phản ứng xảy ra trên mỗi điện cực và phản ứng xảy ra trong pin (viết sơ đồ pin) khi ghép:

1 Theo bài ra ta có bảng số liệu

10 3 1 0,19

2 a Điện cực 2 – 5

E0 3 − 4 −

) ( /

)

(CN Fe CN

Fe = 0,36 > E0Al3 +/Al = -1,66V

→ Pt│[Fe(CN)6]3-;[Fe(CN)6]4- : cực dương (catôt)

Al/Al3+ : cực âm (anôt)

c HSO4- + CH3COO- CH3COOH + SO4

cực âm (anôt): qt OXH 2Cl- Cl2 + 2e

cực dương (catôt): qt khử MnO4- + 8H+ + 5e Mn2+ + 4H2O → Sơ đồ pin:

(-) H2│H+ (C1)║Ag+│Ag (+)

9 Ag+ + I- AgI

→ Sơ đồ pin (tương tự câu 2)

(-) Ag, AgI│I-║Ag+│Ag (+)

ài 10 : AgCl là hợp chất halogen không tan và màu trắng Để khảo sát độ tan

dựa vào bt điện hoá, người ta thiết lập 1 pin điện hoá gồm 2 phần được nối bởi cầu muối

+ bên trái là một thanh Zn được nhúng vào dd Zn(NO3)2 0,2M

+ bên phải là một thanh Ag được nhúng vào dd AgNO3 0,1M

Vmỗi dd = 1 lít

a) Viết phương trình phản ứng xảy ra khi pin phóng điện và tính Epin

b) Giả sử pin phóng điện hoàn toàn và lượng Zn dư Tính điện lượng phóng trong TN

c) Trong 1 TN khác người ta cho KCl rắn vào bên phải pin ban đầu cho đến khi [K+] = 0,3M Xảy ra sự kết tủa Ag và thay đổi sđđ Sau khi thêm E = 1,04V + Tính [Ag+] = ?

+ [Cl-] = ? và TAgCl = ?

biết E0Zn2 +/Zn= -0,76V E0Ag /+ Ag

= 0,8V