HÓA LÝ II: PIN VÀ ĐIỆN CỰC

Chương II

PIN VÀ ĐIỆN CỰC

TS Trần Tấn Nhậtnhathunan@yahoo.com

Một hệ gồm chất dẫn điện loại 1 (kl) tiếp xúc với chất dẫn điện loại 2 được gọi là điện cực

▪ Nguyên nhân sinh ra thế điện cực

Trên ranh giới điện cực kim loại và dd điện li bao giờ cũng hình thành hai lớp điện tích phân bố

trái dấu nhau gọi là lớp điện tích kép

2.1.1 Điện cực và nguyên nhân sinh ra thế điện cực

Giải thích nguyên nhân tạo

ra lớp điện tích kép và thế

điện cực ?

Vì sao ko đo trực tiếp được

thế điện cực ?

→ Sự hình thành lớp điện tích kép sẽ xuất hiện 1 bước nhảy điện thế giống như 1 tụ điện khi tích điện sẽ thiết lập 1 điện

thế xác định Điện thế đó gọi là điện thế Galvani, kí hiệu ϕ

Thế là yếu tố của cân bằng.

Thế điện hóa là đại lượng đặc trưng cho cân bằng pha

điện cực / dung dịch (cân bằng điện hóa)

Thế hóa học:

Thế điện hóa:

: là năng lượng tự do Gibbs điện hóa của hệ

2.1.2 Thế điện hóa

Suy ra:

Zi : điện tích của cấu tử i; φ: điện thế pha khảo sát

Thế điện hóa là công chuyển phần tử tích điện từ vô cực đến pha khảo sát có điện thế bằng φ, nó gồm 2 phần: công hóa học bằng μi và công điện chuyển phần tử tích điện

2.1.3 Pin điện hóa

(–) Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu (+)

Điện cực Zn (anôt): Zn Zn⇌ 2+ + 2e

Điện cực Cu (catôt): Cu2+ + 2e Cu⇌

Phản ứng TQ : Zn + Cu2+ Zn⇌ 2+ + Cu

2.1.4 Thế điện cực và sức điện động

 Để xác định thế điện cực của điện cực nào đó, ghép đ/c đó với đ/c hydro thành 1 pin, và độ lớn của thế đ/c khảo sát chính là sức điện động của pin này.

2.1.4 Thế điện cực và sức điện động

▪ Công điện của pin

nF: số điện lượng do n mol electron vận chuyển

▪ Ảnh hưởng của nồng độ đến sức điện động và thế

điện cực – Phương trình Nernst

aA + bB = gG + dD

mà

Áp dụng PT Nernst vào p/ư điện cực:

Ở 25ºC:

2.1.4 Thế điện cực và sức điện động

▪ Mối liên hệ giữa sức điện động E của pin và các hàm nhiệt động

hiện các p/ư sau:

Bài tập

Xác định dấu của các điện cực và viết p/ư tự diễn biến trong pin Cho ;

3 Thiết lập pin rồi tính sức điện động, từ các điện cực sau:

ĐS: E = 0,7133 V

4 Xác định hiệu ứng nhiệt của p/ư: Zn + 2AgCl = ZnCl2 + 2Ag biết rằng sức điện động ở 0°C đối với pin ở đó xảy ra p/ư đã cho bằng 1,015 V;

nhiệt tỏa ra m/t xung quanh khi pin làm việc

ĐS: - 217,076 kJ; - 21181 J

5 Pin cadimi – bạc:

ở 250C, E = 0,6733 V, hệ số nhiệt độ của sức điện động là -6,5.10-4 V.K- Tính ∆G, ∆H, ∆S của p/ư xảy ra trong pin ở nhiệt độ đó

ĐS: -129,947 kJ; - 125,45 J/K; 167,33 kJ

c) Tính thế điện cực chuẩn của các điện cực Cu2+/Cu+ nếu biết thế điện cực chuẩn của các điện

cực Cu+/Cu và Cu2+/Cu lần lượt là 0,520V và 0,337V?

• Điện cực loại 1

Điện cực loại 1 là 1 hệ điện hóa ở đó dạng oxi hóa và dạng khử của cùng 1 chất điện cực nằm ở 2 pha tiếp xúc nhau.

Ag/AgNO3, Zn/ZnSO4,

2.2 Các loại điện cực

Ví dụ:

- Điện cực calomen:

- Điện cực bac – clorua bạc: Cl- AgCl, Ag

2.2 Các loại điện cực

• Điện cực loại 3; điện cực thủy tinh (TKTL)

• Điện cực oxi hóa – khử (Redox)

Là 1 hệ điện hóa gồm 1 kim loại trơ (dây Pt hay vàng, thường ko tham gia p/ư mà đóng vai trò truyền dẫn e) nhúng vào trong dd chứa các dạng oxi hóa và dạng khử

Đó là một nửa pin gồm 1 kim loại trơ (Pt) tiếp xúc đồng thời với khí và dd chứa ion của khí đó.

- Điện cực hiđro:

2.2 Các loại điện cực

- Điện cực oxi:

- Điện cực clo:

• Mạch hóa học

Trong mạch này, pin được hình thành từ các điện cực khác nhau về bản chất hóa học

Pin Jacobi – Daniell: (-) Zn / Zn2+ (C1) // Cu 2+ (C2) / Cu (+)

Mạch với dd điện phân: (-) Zn / ZnCl2//Hg2Cl2 / Hg, Pt (+)

2.3 Các loại mạch điện hóa

• Mạch nồng độ

Trong mạch này, hai điện cực giống nhau về bản chất hóa học nhưng khác nhau về hoạt độ của dung dịch điện cực hoặc hoạt độ của điện cực

Mạch chứa pin: (-) Ag / AgNO3 (a’ ± ) // AgNO3 (a” ±) / Ag (+)

Mạch chứa pin : (-) (Hg) Cd (a1) / CdSO4 / Cd (a2) (Hg) (+)

Mạch chứa pin: (-) Pt, H2 (P1) / HCl / H2 (P2), Pt (+) (P1 > P2)

2.3 Các loại mạch điện hóa

• Mạch không tải

Là mạch trong đó có 2 điện cực cùng được nhúng vào trong một dung dịch hay 2 dung dịch khác nhau nhưng ko tiếp xúc trực tiếp nhau

(-) Pt, H2 / HCl / Cl2, Pt (+)

Điều kiện nhiệt động tổng quát về sự thuận nghịch của một mạch điện hóa khi hoạt động:

- Khi hoạt động sức điện động của mạch chỉ lớn hơn hiệu thế tác dụng từ bên ngoài một lượng

vô cùng nhỏ; mạch làm việc với tốc độ vô cùng chậm

- P/ư trong mạch xảy ra theo chiều thuận hay nghịch tùy theo hiệu thế tác dụng từ bên ngoài nhỏ hơn hay lớn hơn sức điện động của mạch điện hóa

VD: Pin ( - ) Zn|ZnSO4 || CuSO4|Cu( +)

và Pin ( - ) Zn | CuSO4 | Cu ( +)

Bài tập

d) Tính tích số tan T đối với AgSO4 Cho

ĐS: 0,698 V; 0,711 V; 1,3.10-6

3 Cho biết thế khử chuẩn ở 25°C của các cặp sau:

Tính thế khử chuẩn ở 25°C của cặp Từ giá trị thu được hãy xét xem p/ư sau có xảy ra ở đkc và 25°C không:

Tính ∆G của p/ư đó ĐS: 0,15 V; - 55970 J

ở 25°C:

Biết và ;

5 Có 1 pin sau ở đktc và 250 C:

Hãy viết p/t phản ứng xảy ra trong pin, tính sức điện động

chuẩn của pin và ΔG0 của p/ư xảy ra trong pin ở 250 C

ĐS: 0,29V; - 55970J

Bài tập

6 Sức điện động của pin sau ở 25°C bằng 0,303 V:

Áp suất của hydro ở 2 điện cực đều bằng 1atm Xác định Ka của

ĐS: 5,36.10-10

7 Độ hòa tan của Ag2SO4 trong nước nguyên chất ở 25°C là 1,4.10-2 mol/l Tính sức điện động của pin sau ở 25°C:

8 Để nghiên cứu cân bằng sau ở 25°C:

Người ta chuẩn bị 1 dd gồm CuSO4 0,5M; FeSO4 0,025M; Fe2(SO4)3

0,125M và thêm vào 1 ít mảnh Cu kim loại

Bài tập

10 Cho ;

a) P/ư xảy ra theo chiều nào

b) Nếu tăng nồng độ H+ lên 2 lần p/ư có đổi chiều ko ?

11 Một pin điện được tạo ra từ hai điện cực Một điện cực gồm một tấm đồng nhúng trong dung dịch CuSO4 0,5M Điện cực thứ hai là một dây Pt nhúng vào dung dịch Fe2+ , Fe3+ với lượng sao cho [Fe3+] = 2[Fe2+] Dùng một dây dẫn điện trở R nối hai đầu Cu và Pt

a) Cho biết dấu của hai điện cực của pin

pin, tính sức điện động của pin.

c) Biết thể tích của dung dịch đồng khá lớn, hãy tìm tỷ số

[Fe3+] /[Fe2+] khi pin ngừng hoạt động

Bài tập

b) Viết phản ứng xảy ra khi pin làm việc và tính sức điện động của pin

c) Tính các nồng độ [Ag+ ] và [Zn2+ ] khi pin không có khả năng phát điện

ĐS: 1,53 V; [Zn2+ ] = 0,15M; [Ag+ ] = 3,9.10-27 M

13 Cho:

Fe3+ + e = Fe2+ φº = 0,771 VAg+ + e = Ag φº = 0,799V

Người ta lắp pin theo sơ đồ sau: Ag | Ag+ || Fe2+,Fe3+ |Pt

Với [Fe2+ ] = [Fe3+ ] = 0,1 M

b) Tính hằng số cân bằng của p/ư:

và nồng độ của 2 dạng ion ở cân bằng, biết nồng độ đầu của

Cu2+ là 10-4 M; ϕ °(Cu+/Cu) = 0,521 V; ϕ°(Cu2+/Cu+) = 0,167 V ĐS: K = 10-6 ; [Cu+] = 9,74.10-6 ;

[Cu2] = 9,51.10-5

17 Cho 2 điện cực Ag Ag+ 0,1M và Cu Cu2+ 0,01M.

a) Hãy ghép 2 điện cực để tạo ra pin điện Viết các p/ư điện hóa và cho biết chiều của dòng điện Biết và

ϕ °Cu2+/Cu = 0,34 V

b) Tính E

18 Có 1 pin sau ở 25 độ C:

Pt Fe3+ 0,1M, Fe2+ 0,2M Fe3+ 0,2M, Fe2+ 0,1M Pt

a) Tính ΔG của p/ư xảy ra trong pin

b) Tính nồng độ các ion Fe3+ và Fe2+ ở các điện cực khi cân bằng, biết ϕ °Fe3+/Fe2+ = 0,77 V

ĐS: a) – 3474 J; b) [ Fe3+ ] = [ Fe2+ ] = 0,15M