Cặp Oxi hóa Khử của kim loại? Pin Galvani, thế điện cực chuẩn của kim loại và ý nghĩa? Hóa 12 bài 12 CTST

Vậy Cặp Oxi hóa Khử của kim loại là gì? Pin Galvani, thế điện cực chuẩn của kim loại và ý nghĩa ra sao? Cách tính sức điện động của pin điện hóa tạo bởi hai cặp oxi hóa khử như nào? được hayhochoi trình bày ngắn gọn, dễ hiểu trong bài viết này.

I. CẶP OXI HOÁ - KHỬ CỦA KIM LOẠI

Dạng oxi hoá Mⁿ⁺ và dạng khử M của cùng một kim loại được gọi là cặp oxi hoá - khử của kim loại, kí hiệu là Mⁿ⁺/M.

Ví dụ:

Cu²⁺ + 2e ⇌ Cu

Ag⁺ + 1e ⇌ Ag

II. THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI VÀ PIN GALVANI

- Khi nhúng thanh kim loại (M) vào dung dịch muối của nó (Mⁿ⁺), tạo thành một điện cực. Ở điện cực sẽ xuất hiện một thế điện cực (E) nhất định. Nếu nồng độ Mⁿ⁺ trong dung dịch bằng 1 M, ở 25 °C thì có thế điện cực chuẩn (E°) của cặp oxi hoá - khử Mⁿ⁺/M (E^o_Mⁿ⁺/M)

- Pin Galvani gồm 2 điện cực có thế điện cực khác nhau, thường được ghép với nhau qua cầu muối. Pin Galvani chuyển năng lượng của phản ứng hoá học thành năng lượng điện.

Ví dụ: Pin Galvani Zn-Cu gồm điện cực kẽm và điện cực đồng được nối với nhau bởi cầu muối (thường chứa dung dịch KCl bão hòa):

Điện cực âm, anode (-): Xảy ra quá trình oxi hoá Zn.

Zn → Zn²⁺ + 2e

Điện cực dương, cathode (+): Xảy ra quá trình khử ion Cu²⁺.

Cu²⁺ + 2e → Cu

Phản ứng oxi hoá - khử xảy ra trong pin:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Electron chuyển từ thanh Zn qua dây dẫn đến thanh Cu. Cầu muối đóng vai trò khép kín mạch và trung hoà điện tích của dung dịch ở hai điện cực.

- Giá trị hiệu điện thế giữa hai điện cực là hiệu giữa thế điện cực của điện cực dương (có giá trị thế điện cực lớn hơn, E₊) và thế điện cực của điện cực âm (có giá trị thế điện cực nhỏ hơn, E_- ) được gọi là sức điện động của pin (E_pin). Sức điện động của pin điện hoá có thể đo được bằng vôn kế.

- Khi các điện cực ở điều kiện chuẩn, sức điện động của pin được gọi là sức điện động chuẩn (E^o_pin).

- Thế điện cực chuẩn (E°) của kim loại có thể xác định bằng cách đo sức điện động của pin tạo bởi điện cực hydrogen chuẩn và điện cực chuẩn của kim loại cần đo.

III. Ý NGHĨA CỦA DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN KIM LOẠI

1. So sánh tính khử, tính oxi hoá giữa các cặp oxi hoá – khử

- Khi biết giá trị thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá - khử, có thể so sánh được khả năng khử giữa các dạng khử và khả năng oxi hoá giữa các dạng oxi hoá ở điều kiện chuẩn.

- Thế điện cực chuẩn của kim loại (E^o_Mⁿ⁺/M) càng lớn thì tính oxi hoá của cation Mⁿ⁺ càng mạnh, tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại.

Ví dụ: E^o_Al³⁺/Al = -1,66V < E^o_Fe²⁺/Fe = -0,44V 

Vì vậy, tính khử của Al mạnh hơn tính khử của Fe và tính oxi hoá của Al³⁺ yếu hơn tính oxi hoá của Fe²⁺.

2. Dự đoán chiều hướng xảy ra phản ứng giữa hai cặp oxi hoá - khử

- Kim loại của cặp oxi hoá - khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn có thể khử được cation kim loại (hoặc H⁺) của cặp oxi hoá - khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn ở điều kiện chuẩn. Hay, cation kim loại trong cặp oxi hoá - khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn có thể oxi hoá được kim loại trong cặp có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn ở điều kiện chuẩn.

Chất oxi hoá mạnh hơn + Chất khử mạnh hơn → Chất khử yếu hơn + Chất oxi hoá yếu hơn

- Để dự đoán chiểu của phản ứng oxi hoá - khử, có thể sử dụng quy tắc α (alpha).

Ví dụ: E^o_Fe²⁺/Fe = -0,44V < E^o_Cu²⁺/Cu = 0,34V 

Áp dụng quy tắc alpha:

3. Tính sức điện động của pin điện hoá tạo bởi hai cặp oxi hoá - khử

- Sức điện động chuẩn của pin điện hoá (E^o_pin) có giá trị bằng hiệu số của thế điện cực chuẩn của cực dương và thế điện cực chuẩn của cực âm.

E_pin = E°₍₊₎ - E°_(-)

- Ví dụ: Sức điện động chuẩn của pin Galvani Zn-Cu được tính như sau:

E^o_pin = E^o_Cu²⁺/Cu - E^o_Zn²⁺/Zn = 0,34 - (-0,76) = 1,10(V)

IV. MỘT SỐ LOẠI PIN KHÁC

- Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên phản ứng oxi hoá - khử giữa nhiên liệu và chất oxi hóa (thường là oxygen). Pin nhiên liệu phổ biến hiện nay là pin hydrogen.

+ Ưu điểm của pin nhiên liệu là nhiên liệu được bổ sung liên tục nên thời gian hoạt động của pin không bị hạn chế.

+ Nhược điểm của pin nhiên liệu là công nghệ chưa được phổ biến và giá thành cao.

- Pin mặt trời (pin quang điện) bao gồm nhiều tế bào quang điện làm biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện.

+ Ưu điểm: Loại pin này tạo ra được nguồn năng lượng xanh (từ ánh sáng mặt trời), thân thiện với môi trường, chi phí trang bị không quá cao, thời gian sử dụng dài.

+ Nhược điểm: Pin mặt trời cần được lắp đặt trên không gian rộng (như mái nhà) để pin tiếp xúc trực tiếpvới ánh sáng mặt trời. Loại pin này khó di chuyển.

- Acquy đơn giản là acquy chì, gổm bản cực dương bằng PbO₂, bản cực âm bằng Pb, cả hai điện cực được đặt vào dung dịch H₂SO₄ loãng. Nguyên tắc hoạt động của acquy chì tương tự như pin điện hoá.

Ngoài acquy chì, người ta còn dùng acquy kiềm có hiệu suất nhỏ hơn nhưng tiện lợi vì nhẹ và bền. Acquy kiềm thường gồm hai loại là acquy iron-nickel và acquy cadmium-nickel.

V. THỰC HÀNH LẮP RÁP PIN ĐƠN GIẢN

Thí nghiệm.Lắp ráp pin chanh và đo sức điện động của pin

Dụng cụ: thanh kim loại đồng và kẽm; vôn kế; 2 dây dẫn.

Nguyên liệu: 1 quả chanh tươi.

Tiến hành:

- Bước 1: Cắm 2 thanh kim loại vào quả chanh và không để chúng chạm vào nhau.

- Bước 2: Lắp hệ thống như Hình 12.6. Ghi nhận giá trị hiện trên vôn kế.