Bài học cùng chủ đề
Thế điện cực và nguồn điện hóa học SVIP
I. CẶP OXI HÓA - KHỬ
Dạng oxi hóa (Mn+) và dạng khử (M) của cùng một nguyên tố kim loại có thể tạo thành cặp oxi hóa - khử.
Kí hiệu: Mn+/M
\(M^{n+}+ne\rightleftharpoons M\)
Ví dụ:
\(Mg^{2+}\) | + | 2e | \(\rightleftharpoons\) | \(Mg\) |
Dạng oxi hóa | Dạng khử |
Kí hiệu: Mg2+/Mg
Câu hỏi:
@202831257909@
II. THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN
1. Điện cực
Mỗi cặp oxi hóa – khử đều có thể tạo nên một điện cực, tại đó dạng oxi hóa và dạng khử tồn tại trong trạng thái cân bằng
Ví dụ: Khi nhúng thanh Zn vào dung dịch muối ZnSO4 sẽ xảy ra cân bằng Zn2+ + 2e ⇌ Zn, hình thành điện cực kẽm.
- Điện cực với nồng độ ion kim loại 1 M và nhiệt độ 25°C (298K) được gọi là điện cực chuẩn.
2. Thế điện cực chuẩn
Thế điện cực chuẩn là đại lượng đặc trưng về điện thế của mỗi điện cực kim loại ở điều kiện chuẩn.
Kí hiệu: \(E^o_{\text{oxi hóa/khử}}\) (V)
Quy ước: \(E^o_{2H^+/H_2}=0\) V
Thế điện cực chuẩn của một điện cực khác được xác định qua sự chênh lệch điện thế với điện cực hydrogen chuẩn (Quy ước \(E^o_{2H^+/H_2}=0\) V)
Nguyên tố | Bán phản ứng | Thế điện cực chuẩn Eo (V) |
Li | Li + 1e ⇌ Li | -3,040 |
K | K+ + 1e ⇌ K | -2,924 |
Ba | Ba2+ + 2e ⇌ Ba | -2,92 |
Ca | Ca2+ + 2e ⇌ Ca | -2,84 |
Na | Na+ + 1e ⇌ Na | -2,713 |
Mg | Mg2+ + 2e ⇌ Mg | -2,356 |
Al | Al3+ + 3e ⇌ Al | -1,676 |
Zn | Zn2+ + 2e ⇌ Zn | -0,762 |
Cr | Cr3+ + 3e ⇌ Cr | -0,74 |
Fe | Fe2+ + 2e ⇌ Fe | -0,44 |
H2 | 2H2O + 2e ⇌ H2 + 2OH- | -0,414 |
Cd | Cd2+ + 2e ⇌ Cd | -0,403 |
Ni | Ni2+ + 2e ⇌ Ni | -0,257 |
Sn | Sn2+ + 2e ⇌ Sn | -0,137 |
Pb | Pb2+ + 2e ⇌ Pb | -0,126 |
H2 | 2H+ + 2e ⇌ H2 | 0,000 |
Cu | Cu2+ + 2e ⇌ Cu | +0,340 |
Fe | Fe3+ + 1e ⇌ Fe2+ | +0,771 |
Ag | Ag+ + 1e ⇌ Ag | +0,799 |
Hg | Hg2+ + 2e ⇌ Hg | +0,853 |
Br | Br2(aq) + 2e ⇌ 2Br- | +1,087 |
O | O2 + 4H+ + 4e ⇌ 2H2O | +1,229 |
Cl | Cl2 (aq) + 2e = 2Cl- | +1,358 |
Au | Au3+ + 3e ⇌ Au | +1,52 |
3. Ý nghĩa của thế điện cực chuẩn
a. So sánh tính khử, tính oxi hóa giữa các cặp oxi hóa – khử
Cặp có giá trị thế điện cực chuẩn nhỏ hơn thì dạng khử có tính khử mạnh hơn, dạng oxi hóa có tính oxi hóa yếu hơn và ngược lại.
Ví dụ:
\(E^o_{Cu^{2+}/Cu}=+0,340V\) < \(E^o_{Ag^+/Ag}=+0,799V\)
⇒ Cu có tính khử mạnh hơn Ag, Cu2+ có tính oxi hóa yếu hơn Ag+.
- Dãy điện hóa của kim loại:
Câu hỏi:
@202831348252@
b. Dự đoán chiều phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử
Kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực nhỏ hơn có thể khử được ion kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực lớn hơn.
- Trong dãy điện hóa: Kim loại của cặp oxi hóa – khử đứng trước có thể khử ion kim loại của cặp oxi hóa – khử đứng sau, tạo ra dạng oxi hóa và dạng khử tương ứng.
- Quy tắc α:
Ví dụ: Cu2+/Cu có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn Ag+/Ag.
Phản ứng hóa học: 2Ag+ + Cu → Cu2+ + 2Ag.
Câu hỏi:
@202831350710@
III. PIN ĐIỆN HÓA
1. Phản ứng oxi hóa – khử và dòng điện
Pin điện hóa là thiết bị chuyển hóa năng lượng của phản ứng oxi hóa – khử thành dòng điện.
Khi quá trình oxi hóa và khử xảy ra trên hai điện cực, electron truyền qua dây dẫn thì năng lượng hóa học chuyển thành điện năng.
Ví dụ:
2. Pin galvani
- Cấu tạo: Hai điện cực (cặp oxi hóa – khử) nhúng vào dung dịch điện li và nối với nhau bằng cầu muối.
- Nguyên tắc hoạt động: Anode xảy ra quá trình oxi hóa, cathode xảy ra quá trình khử. Electron theo dây dẫn di chuyển từ anode sang cathode.
- Sức điện động của pin:
Eopin = Eocathode – Eoanode
Ví dụ: Pin Galvani Zn-Cu gồm điện cực kẽm và đồng được nối với nhau bởi cầu muối
➤ Tại anode:
\(Zn\rightleftharpoons Zn^{2+}+2e\) | \(E_{Zn^{2+}/Zn}^{o}=-0,762\) \(V\) |
➤ Tại cathode:
\(Cu^{2+}+2e\rightleftharpoons Cu\) | \(E_{Cu^{2+}/Cu}^{o}=+0,340\) \(V\) |
➤ Phản ứng hóa học xảy ra trong pin:
\(Zn+Cu^{2+}\rarr Zn^{2+}+Cu\)
➤ Sức điện động chuẩn của pin Zn – Cu:
\(E_{pin}^{o}=E_{anode}^{o}-E_{cathode}^{o}=0,340-\left(-0,762\right)=1,102\) \(V\)
Câu hỏi:
@202890936380@
IV. MỘT SỐ LOẠI PIN KHÁC
Pin | Khái quát | Ưu điểm | Nhược điểm |
Acquy chì | - Thuộc loại pin thứ cấp (pin sạc), các chất phản ứng được tái tạo trong quá trình sạc bằng dòng điện một chiều. - Được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông, thiết bị điện, phát điện. | - Dễ sản xuất, giá thành thấp. - Hoạt động ổn định. - Dễ thu hồi sulfuric acid và chì để tái chế. | - Nặng, tuổi thọ thấp (khoảng 1 năm). - Gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc chì ở các làng nghề tái chế acquy cũ. |
Pin nhiên liệu | - Pin điện hóa chuyển đổi hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng oxi hóa – khử giữa nhiên liệu (methane, methanol, ethanol, hydrogen,...) và chất oxi hóa (thường là oxygen). | - Điều chỉnh được cường độ dòng điện nhờ thay đổi tốc độ dòng nhiên liệu. - Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát. | Giá thành cao. |
Pin Mặt Trời | Gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn được ghép nối với nhau, có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng. | - Nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. - Tận dụng được năng lượng vô tận của Mặt Trời. | - Sản xuất phức tạp, giá thành cao. - Phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết. - Pin Mặt Trời hết hạn có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. |