Phản ứng oxy hóa – khử: O – K Khái niệm: Phản ứng oxy hóa khử là phản ứng trong đó có sự trao đổi electron giữa các nguyên tử của những nguyên tố tham gia phản ứng làm thay đổi số oxy h
Trang 1Chương XIV
ĐIỆN HÓA HỌC
1 Phản ứng oxy hóa – khử và dòng điện
1.1 Phản ứng oxy hóa – khử: (O – K)
Khái niệm: Phản ứng oxy hóa khử là phản ứng trong đó có sự trao đổi electron giữa các nguyên tử của những nguyên tố tham gia phản ứng làm thay đổi số oxy hóa các nguyên tố
- Quá trình cho electron gọi là quá trình oxy hóa, chất cho electron gọi là chất khử (chất bị oxy hóa)
2
e Zn
Zn
- Quá trình nhận electrongọi là quá trình khử, chất nhận electron gọi là chất oxy hóa
Ví dụ: Cu eCu
2 2 Tổng quát: KhI OxI ne
OxII neKhII
Bước nhảy
pH (3.2 ÷ 6.5)
pH
VHCl
Trang 2II I II
Cặp oxy hóa ‟ khử OxI/KhI,OxII/KhII
1.2 Cân bằng phản ứng O – K:
Nguyên tắc 1: Tổng số electron cho của chất khử phải bằng tổng số electron chất oxy
hóa nhận vào
Các bước tiến hành cân bằng
+ Bước 1: Xác định sự thay đổi số oxy hóa của các chất
+ Bước 2: Lập phương trình electron ‟ ion, với hệ số sao cho đúng qui tắc trên
+ Bước 3: Thiết lập phương trình ion của phản ứng
+ Bước 4: Cân bằng theo hệ số tỉ lượng
Ví dụ:
SO Cu Al
CuSO
Al 4 2 4 3
Cu Al
Cu
2 2 3
2Al3CuSO4 Al2SO433Cu
Nguyên tắc 2:
Thiếu O bên nào, thêm nước bên đó, bên kia H
- Đối với phản ứng O ‟ K xảy ra trong môi trường axit nếu dạng Ox của chất Ox có chứa nhiều nguyên tử Oxy hơn dạng khử của nó thì phải thêm H vào vế trái (dạng
Ox) và thêm nước vào vế phải (dạng khử)
- Nếu dạng khử của chất Kh chứa ít nguyên tử Oxy hơn dạng Ox của nó thì thêm nước vào vế trái (dạng K) và H vào vế phải (dạng Ox)
Ví dụ:
O H SO K KNO MnSO
SO H KNO
3 2
2 4
2
5 NO e
NO
Mn e
MnO
O H Mn
H e
4 5 8 4
NO2 2 2 3 2 5
O H SO K KNO MnSO
SO H KNO KMnO
O H NO Mn
H NO MnO
2 4 2 3 4
4 2 2 4
2 3 2
4
3 5
2 3
5 2
3 5
2 6
5 2
Nguyên tắc 3:
Thiếu O bân nào thêm OH bên đó, bên kia là nước
- Phản ứng O ‟ K xảy ra trong môi trường bazơ, nếu dạng Ox của chất Ox chứa nhiều Oxy hơn dạng khử thì phải thêm nước vào vế trái, OH vào vế phải
- Nếu dạng K của chất K chứa ít Oxy hơn dạng Ox của nó thì phải thêm OH vào vế
trái, nước vào vế phải
Ví dụ:
O H KCl CrO
K KOH CrCl
3 2
2 3
2
3
Cu e Cu
Al e Al
Trang 3ClO3 6e3H2OCl 6OH 1
Cr e OH CrO 2 H2O
4 3
4 8
ClO Cr OH Cl CrO 2 H2O
4 3
3 2 2 5
KClO32CrCl310KOH7KCl2K2CrO4 5H2O
Nguyên tắc 4:
Thêm nước vế trái hết, vế phải: OH nếu thêm e, H nếu mất e
- Phản ứng trong môi trường trung tính Nếu dạng Ox của chất Ox chứa nhiều nguyên tử Oxy hơn dạng Kh của nó thì phải thêm nước vào vế trái, OH vào vế phải
- Nếu dạng Kh của chất Kh chứa ít nguyên tử Oxy hơn dạng Ox của nó thì phải thêm nươc vào vế trái, H vào vế phải
Ví dụ:
KOH KNO
MnO O
H KNO
MnO4 3 2 2 2 4 2
NO2 2 2 3 2 3
6H2O2OH
KOH KNO
MnO O
H KNO
1.3 Phản ứng O – K và dòng điện Nguyên tố ganvanic và điện cực:
- Ở điều kiện bình thường, phản ứng O ‟ K xảy ra cùng một nơi thì hóa năng sẽ biến thành nhiệt năng
- Ở điều kiện đặc biệt phản ứng O ‟ K xảy ra gián tiếp ở hai nơi khác nhau thì hóa năng sẽ biến thành điện năng (qua dây dẫn)
Nguyên tố ganvanic: Là thiết bị chuyển hóa năng sang điện năng Cấu tạo gồm hai thanh kim loại, nhúng trong dung dịch muối của nó, nối với nhau qua sợi dây dẫn kim loại
Ở điện cực kẽm: Zn 2 eZn gọi là âm cực (Catod)
Điện cực đồng: Cu eCu
2
2 gọi là dương cực (Anod)
Zn (-) Cu (+)
Màng xốp
Zn2+
SO4
Trang 42-Tức là ở âm cực xảy ra quá trình Oxy hóa, Zn là chất khử Ở dương cực xảy ra quá trình khử, Cu là chất Ox
Phương trình của ganvanic
Cu Zn
Cu
Zn 2 2
Người ta ký hiệu nguyên tố ganvanic:
ZnZnSO4 CuSO4Cu hay ZnZn 2 Cu 2 Cu
1.4 Sức điện động của nguyên tố ganvanic:
Thế hiệu cực đại xuất hiện giữa hai cực của nguyên tố ganvanic gọi là sức điện động của nguyên tố ganvanic, khi mà nguyên tố ganvanic hoạt động T ‟ N Kí hiệu: VMax E
- Sức điện động tiêu chuẩn của nguyên tố gavanic E đo ở p = 1 atm, 0 C (hay a) = 1 M
nFE G
A'
m
b B a A
d D C C
C C
C C RT G nFE
G 0 ln
Với aAbBcCdD
b B
a A
d D
c C C C
C C ln RT K ln RT
Khi C A C B C C C D 1nFE0 RTlnK
B
a A
d D
c C C C
C C ln nF
RT E
E nFE
Trong đó: n: Số đương lượng gamchất đã tham gia vào phản ứng
Nếu chỉ tính với 1 ion gam chất phản ứng thì n là điện tích của ion hay số electron trao đổi
F = 96500 (nếu '
m
A là J) và F = 23062 (cal)
Ví dụ:
2
2
ln 2
0 / /
Cu Zn
Zn Cu Zn
Cu Zn
Cu
C C
C C F
RT E
E
Do C và Cu C là không đổi: Zn
2
2
2 0
Cu
Zn Zn
/ Cu Zn /
C ln F
RT E
E
Ta có:
Kh
Ox ln nF
RT E
E 0
E 0 0 0
E
Ví dụ: ECu0 /Zn 00 0.3370.7631.1V
2 Thế điện cực và chiều của quá trình O – K:
2.1 Thế điện cực:
Là một đại lượng bằng thế hiệu của nó so với điện cực hydro tiêu chuẩn H0 0
Trang 5Ký hiệu:
0
: Thế điện cực tiêu chuẩn
n: Số electron trao đổi trong quá trình điện cực
Phương trình Nec: Chất khử Oxne
Kh
Ox ln nF
RT
0
Kh
Ox lg n
.059 0 0
0
Thay T 0K
298
F96500
R8.31
phụ thuộc: Bản chất chất tham gia quá trình điện cực 0,n nhiệt độ T, nồng độ chất tham gia quá trình điện cực C
còn gọi là thế Ox ‟ K hay thế Oxy hóa
nF
G
G0 nF0
2.2 Chiều của quá trình O – K:
- Xét các cặp O ‟ K Ox1/Kh1vàOx2/Kh2
ne Ox
Kh1 1 1
ne Ox
Kh2 2 2
Khi trộn các cặp này, sẽ có phản ứng O- K
1 2 2
- Phản ứng xảy ra theo chiều thuận khi:
1
2 0
G nFE / nF
Quy tắc:
“Phản ứng O ‟ K xảy ra theo chiều dạng Ox của cặp O ‟ K có lớn hơn sẽ Ox dạng Kh của cặp O ‟ K có nhỏ hơn”
- Thực tế có thể dùng 0 0
, để xét Nhưng khi 0 0 bé quá thì phải tính toán trên
3 Sự điện phân – Điện phân dung dịch chất điện ly trong nước:
Định nghĩa: Sự điện phân là quá trình O ‟ K xảy ra trên bề mặt điện cực khi cho
dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện ly hoặc qua chất điện ly nóng chảy và có làm theo sự biến đổi nhiệt năng thành hóa năng
- Ở đây ta xét quá trình điện phân một dung dịch chất điện ly trong nước
3.1 Các quá trình Catod:
Ở đây dạng Ox chính là các cation kim loại và hydro của dung dịch chất điện ly Ta cần so sánh thế điện cực của kim loại và hydro
V
pH
Tức là ở điều kiện trung tính H 0.41V
Trang 6- Nếu
2
H
kl
kim loại kết tủa: Từ Sn cuối dãy
- Nếu 2
H
kl
: Từ Ti đầu dãy
2 2
2H e H (Trong môi trường axit)
e H OH O
2 2 2 (Môi trường trung tính hay bazơ)
- Nếu kl 0.41V thì tùy vào nồng độ và điều kiện tiến hành (Từ Zn Ni)
3.2 Các quá trình anod:
Dạng khử là anion, góc axit và OH của dung dịch, và tùy theo vật liệu, điện cực có
thể bị ăn mòn: Có anod trơ (graphit, platin….) và anod tan (Ni… )
Anod trơ: Khả năng cho electron theo thứ tự:
+ Anion không chứa Oxy I,Br,Cl,S
+ Kế đến là OH
+ Anion chứa Oxy: SO ,MnO,SO
2 4 2
3
Ví dụ: 2Cl 2eCl2;4OH4eO22H2O trong môi trường kiềm và
O
2 2 2 (trung tính hay axit)
Anod tan:
Hoặc anod phóng điện, hoặc hòa tan anod Nếu kim loại anod có nhỏ hơn cặp O ‟
K thì anod bị hòa tan
n M ne
M Ngược lại A hoặc OH bị oxy hóa
Một số ví dụ minh họa:
1) Điện phân CuCl2,anodtrơ:
41 0 337 0
Catod Cu22eCu
Anol
2 2
2Cl e Cl
2) Điện phân dung dịch K2SO4 với anod trơ:
2
K OH KOH
Anod:
4
SO không bị Ox, nước OH bị Ox
2
2 4
2H SO H SO
Hay nói khác đi đây là quá trình điện phân nước
3) Điện phân dung dịch nước NiSO với anod tan Ni ken 4
nhưng ,
Ni /
Ni 2 025041
228 1 4
4
2H2OO2 H e,
Nên ở catod: Ni22eNi
2 4 2 2
4 Thế phân giải và quá thế: (đọc thêm SGK)
- Thế phân giải là thế hiệu tối thiểu cần thiết để tiến hành quá trình điện phân đã cho
Trang 7Ký hiệu: E P
Nói chung với những hệ T ‟ N E bằng sức điện động của nguyên tố Ganvanic tạo thành P từ sản phẩm điện phân
- Hiệu số giữa thế phân giải E và sức điện động của nguyên tố Ganvanic tương ứng P phản ứng nghịch gọi là quá thế điện phân
E
EP
0
(bảng 33)
5 Định luật điện phân:
Định luật Farađay:
1) Lượng chất được tạo thành hay hòa tan ở điện cực khi điện phân tỉ lệ thuận với lượng điện đi qua chất điện ly
2) Những lượng điện bằng nhau sẽ tạo thành hay hòa tan ở điện cực khi điện phân những đương lượng như nhau của các chất
Công thức cho định luật:
F
Q Đ
m hay
nF
AIt
n F: Hằng số Farađây bằng 96500 (culông)
m: khối lượng chất điện phân ra
A: Nguyên tử gam
n: Hóa trị chất biến đổi
I: Cường độ dòng điện (Ampe)
t: Thời gian điện phân (sec)