Bài giảng điện cực và pin điện

các phân tử của nước có cấu trúc lưỡng cực sẽ tương tác trên bề mặt kim lọai, một bộ phận kim lọai bị các lưỡng cực có năng lượng đủ lớn phá vỡ liên kết lưới kim loại, tạo thành ion[r]

1

ĐIỆN CỰC VÀ PIN ĐIỆN

MỤC TIÊU HỌC TẬP

 Trình bày và giải thích được cách hình thành điện cực kim lọai

 Nêu được nguyên tắc phân loại điện cực, cho ví dụ

 Trình bày được đặc điểm của phản ứng hóa học xảy ra/pin điện hóa

 Giải thích được cơ chế hình thành sức điện động của pin điện hóa

 Nêu và giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến sức điện động của pin

Nêu được các ứng dụng của phương pháp đo thế điện cực

3

ĐIỆN CỰC VÀ TH Ế Đi Ệ N C ỰC

Cặp oxy hóa khử và thế oxy hóa khử

Cho dòng điện 1 chiều qua dd CuCl2 với điện cực trơ pt,

Cặp oxy hóa-khử và thế oxy hóa khử

 Cặp oxy hoá-khử là cặp các phân tử, nguyên tử hoặc ion

có thể biến đổi lẫn nhau trong các phản ứng oxy hoá-khử

 Các ion, phân tử, nguyên tử có thể biến đổi lẫn nhau khi tham gia phản ứng oxy hoá khử để tạo thành những cặp oxy hoá khử sau:

Ví dụ: Cu2+ / Cu , Cl2/ 2Cl–, Zn2+/Zn, Fe 3+/Fe2+

5

Thế Oxy Hóa Khử

giữa dạng oxi hóa và khử

 Kí hiệu là: Oxh/Kh hay  Ox / Red

Sự hình thành điện cực

 Khi cho thanh kim loại vào trong dung

dịch muối của nó hoặc một thanh kim

loại trơ nhúng trong dung dịch có

chứa cả dạng oxy hoá và dạng khử

của một cặp oxy hoá khử thích hợp

sẽ tạo ra một điện cực

 Ví dụ: nhúng thanh kim loại đồng

trong dung dịch muối CuSO4 tạo điện

cực Cu+2/Cu hay thanh Pt nhúng

trong dung dịch có chứa ion Fe+3 và

Fe +3

Fe +2

Pt

7

Sự hình thành lớp điện thế kép

 Khi thanh kim lọai tiếp xúc với nước,

các phân tử của nước có cấu trúc

lưỡng cực sẽ tương tác trên bề mặt

kim lọai, một bộ phận kim lọai bị các

lưỡng cực có năng lượng đủ lớn phá

vỡ liên kết lưới kim loại, tạo thành ion

rời khỏi kim lọai và được dung môi

solvat hóa phân tán vào pha lỏng

gần bề mặt kim loại tạo nên lớp điện kép

RTKh

/ Oxh

0 Kh

/



Phân loại điện cực

 Điện cực lọai 1 (thuận nghịch với cation, anion)

 Điện cực loại 2 (điện cực so sánh)

 Điện cực loại 3 (điện cực oxi hóa khử)

 Điện cực loại 4 (điện cực màng và điện cực chỉ thị ion)

H 0

H / H 2 H

/ H 2

P

a ln F 2





Điện cực hydro

Điện cực Hydro chuẩn

 Họat động trong điều kiện qui định họat độ aH+ =1mol/l,

áp suất khí hydro pH2= 1at thì φ0 =2H+/H2 = 0

 Được gọi là điện cực Hydro chuẩn

Điện cực loại 2: Điện cực so sánh

(Kim loại phủ muối KL khó tan)

0 cal cal

Cl Hg

] Cl Hg

[ ln F 2

] Cl ln[

KCl bão hòa E0Cal= 0,242 V

Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện

thế trên điện cực calomel

Ecal = 0,242 – 0,0076(t-25) volt

Điện cực AgCl

 Cấu tạo tương tự đc calomel

 Ký hiệu điện cực AgCl là: Ag, AgCl | KCl (a=1)

] AgCl

[ ln F

RT0

Ag / AgCl

17

Điện cực AgCl

 Qui ước ở trạng thi rắn [AgCl] = [Ag] = 1

 ở 25 0C và = 1 : Điện thế của điện cực bạc ổn định tốt trong quá trình họat động

 Điện cực AgCl còn được dùng để chế tạo các điện cực màng chọn lọc

Điện cực oxy hóa khử

3 2

3

Fe

Fe 0

Fe / Fe Fe

/ Fe

a

a ln F

2 4 6

) OH ( H C

2 H O

H C 0

Q Q

a

a

alnF2

 Người ta thường dùng dung dịch quinhydron bão hoà, nồng độ C6H4O2 luôn luôn bằng nồng độ C6H4(OH)2 ở mọi nhiệt độ

 Trong điều kiện như vậy, điện thế φQ chỉ còn phụ thuộc vào nồng độ (hoạt độ) ion H+ của dung dịch khảo sát và được gọi là thế điện cực có điều kiện:

 Vì vậy, có thể dùng điện cực quinhydron để đo pH của

Điện cực quinhydron

21

21

Điện cực màng

 Về cơ bản loại điện cực lọai này gồm một màng rất

mỏng bằng thủy tinh hay chất dẻo, có khả năng dẫn

điện

 Điện thế xuất hiện ở hai phía màng do sự khuếch tán

trao đổi của ion chất điện ly với ion có trong màng, điện thế này chính là thế khuếch tán

Điện cực thủy tinh

(điện cực màng, xác định H+ )

[H+]dd [H+]tt

 X

0 TT

23

Các điện cực màng để xác định

ion kim loại khác

 Cơ chế xuất hiện điện thế trên màng chọn lọc ion

giống như cơ chế xuất hiện thế trên điện cực thủy

tinh

 Nguyên liệu polime, cao su, colodion, silicon

 Khi chế tạo, thêm các ion tạo liên kết không bền, có khả năng khuếch tán ra khỏi màng để trao đổi với ion trong dd nghiên cứu

 Ngày nay, điện cực màng ion, điện thế của nó chỉ phụ thuộc vào một ion chọn lọc nhất định : Li+, Na+, K+,

Pb+2, Cs+2, Ca+2

23

PIN ĐIỆN HÓA VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA PIN

Cấu tạo pin điện hóa

Pin điện hóa là dụng cụ chuyển năng lượng của

phản ứng hóa học thành điện năng, thể hiện ở sức

điện động của pin

25

Cấu tạo pin điện hóa

Sơ đồ cấu tạo pin Daniel-Jacobi

Giá trị của Ep được tính bằng cách hiệu điện thế khử tại cực dương và cực âm của pin:

oxy-Ep = Cu+2/Cu - Zn+2/Zn

Cơ chế pin Daniel- Jacobi

 Quy ước pin điện:

(-) Zn │ZnSO4 (M1) CuSO4 (M2) Cu(+)

Anod (rắn) (dd) (cầu nối) (dd) Catod(rắn)

Bán pin (nửa) do đ/c Kẽm [℮] cao

27

ỨNG DỤNG CỦA ĐO THẾ ĐIỆN CỰC

Đo điện thế bề mặt điện cực:

Nguyên tắc

 Ghép đ/c cần đo với một điện cực so sánh có thế điện cực biết trước thành một pin điện

 Đo sức điện động của pin Ep,

 Biết Ep suy ra thế điện cực CT cần đo

Ep =  SS -  CT

Đo pH bằng PP điện hóa

Nguyên tắc:

Đo pH bằng phương pháp điện hoá là đo điện thế

sinh trên bề mặt của điện cực chỉ thị H+ (khi ghép điện cực đo pH với điện cực so sánh để tạo ra một pin điện hóa)

 Đo sức điện động của pin, rồi tính ra pH dựa vào

công thức Nernst

 Ep = cal + 0,059.pH

 Đo sức điện động của pin Ep:

 Ep = cal - 2H /H2

 2

0

/ 2

0

cal p

E



 Hệ thống điều chế khí H2 phải kín và chịu áp lực an

toàn, tránh dùng lửa dễ gây cháy, nổ

cal Q

E  0  0 , 059  

059 ,

0

0

p cal

 Khoảng đo hẹp, chỉ đo chính xác với dung dịch pH < 7,5

 Vì môi trường kiềm hydroquinon sẽ phân ly như một acid yếu và oxi trong môi trường kiềm mạnh có thể oxy hoá hydroquinon

thành quinon làm cho thành phần của quinon và hydroquinon

không còn bằng nhau

33

33

Đo pH bằng điện cực thủy tinh

 Ghép đ/c tt với đ/c calomel tạo pin điện

0

cal

o TT p

E



Đặc trưng của đ/c thủy tinh

Ưu điểm

 Khoảng đo pH 1-12, giá trị đo chính xác

 Đo pH của dd chứa chất oxi hóa và khử

Nhược điểm

 Dễ vỡ, gía đắt

 Khó bảo quản, dễ bị mốc giảm dẫn điện,

 Cân bằng thiết lập chậm, đo lâu mà kết quả không ổn định

 Đo sức điện động của pin liên tục

 Tai điểm tđ, có sự biến đổi đột ngột về thế gọi là bước

nhảy thế, thể hiện trên đồ thị đường cong chuẩn độ

Các đường cong chuẩn độ thế

37

37

Ý NGHĨA CỦA ĐO THẾ ĐIỆN CỰC

TRONG Y DƯỢC

 Đo điện thế điện cực là cơ sở của nhiều phương pháp phân

tích hóa học, xác định nồng độ các chất trong dd có màu, dd

 Kỹ thuật điện châm giúp hồi phục dẫn truyền thần kinh

Xu thế điều trị trong Y dược

 Các điện cực màng chọn lọc Pb, As, Hg, Ca và F giúp kiểm tra nhanh và thường xuyên mức độ ô nhiễm kim loaị nặng của các nguồn nước

 Một cách điều trị ít dùng thuốc đạt hiệu quả khá cao,

dựa trên cơ sở điều chỉnh thế oxy hóa khử màng tế bào

và tạo xung dẫn truyền thích hợp là kỹ thuật điện châm cứu