Phản ứng oxy hóa khử và dòng điện

Chương VIII
Phản ứng ôxy hóa khử và dòng điện
Bài 5
Trạng thái cân bằng của phản ứng ôxy hóa khử và pin điện
1. Pin điện
2. Nguyên nhân xuất hiện xuất điện động
3.Tính thuận nghịch trong hoạt động của pin điện
4. Phương trình Nersnt về sức điện động
5. Phương trình Nersnt về sức thế điện cực
6. Sự đo thế điện cực, điện cực chuẩn hidro
7. Dãy điện hóa và ý nghĩa.

1. Pin điện
Xét hai thí nghiệm :
Thí nghiệm 1 Cho mẫu kẽm tác dụng trực tiếp với dung dịch CuSO4
Kết quả: Bề mặt của thanh kẽm bị phủ một lớp bột Cu màu đỏ, dung dịch nhạt màu dần.
Phương trình phản ứng:
Cu2+ + Zn  Cu + Zn2+

Thí nghiệm 2
Dùng dụng cụ như hình vẽ:
Kết luận về hai thí nghiệm:
Giống :
Cùng có chung phản ứng: Cu2+ + Zn  Cu + Zn2+
Khác nhau:
Trong pin điện quá trình ôxy hóa, khử xảy ra ở hai điện cực khác nhau.
Trong pin điện xuất hiện dòng điện.
Như vậy, pin điện được hình thành bằng cách ghép 2 cặp ôxy hóa – khử trong phản ứng ôxy hóa-khử.


Quy ước IUPAC về pin điện:

Điện cực đóng vai trò anot xếp bên trái, điện cực đóng vai trò catot xếp bên phải pin điện.
Ranh giới giữa hai pha lỏng và rắn được kí hiệu bằng một vạch, ranh giới giữu hai pha lỏng có cầu muối được kí hiệu bằng vạch kép.
Suất điện động của pin E = EC – EA = Ephải – Etrái
Nếu Epin > 0, chiều dòng điện trong pin cùng chiều với chiều quy ước và ngược lại.
Sơ đồ pin: Zn│Zn2+,H2O║Cu2+,H2 O│Cu
(anot) (catot)

2.Nguyên nhân xuất hiện sức điện động
Do xuất hiện lớp điện kép trái dấu trên bề mặt mỗi thanh kim loại, nơi tiếp xúc với dung dịch,lớp điện kép này giống như một tụ điện tức là xuất hiện hiệu điện thế, và độ lớn hiệu điện thế này phụ thuộc: Bản chất kim loại, nồng độ ion kim loại (Mn+) trong dung dịch.
Hiệu điện thế giữa hai lớp điện kép gọi là thế điện cực.
Thực nghiệm cho thấy: Thế điện cực càng lớn về giá trị tuyệt đối thì cặp đó càng bị oxy hóa mạnh.
Sức điện động: Là hiệu số điện thế cực đại giữa hai điện cực, khi mạch hở.
3.Tính thuận nghịch của pin điện
(hình VIII.2 Trang 232)
Sức điện động của pin được xác định bằng phương pháp mắc xung đối một pin điện với một nguồn điện có biến trỏ C.
Tính thuận nghịch của pin được thể hiện bằng phản ứng thuận nghịch trong pin điện:
Cu2+ + Zn  Cu + Zn2+
4.Phương trình Nersnt về sức điện động
Xét phản ứng tổng quát xảy ra trong pin điện:
aOX1 + bKH2  cKH1 + dOX2
Xuất phát từ phương trình đẳng nhiệt Van Hôp:
(*)
Khi pin làm việc trong điều kiện thuận nghịch nhiệt động, công cực đại do pin sinh ra
(**)
Trong đó, n là số electron trao đổi, F là hằng số Faradei = 96500 C
Trong điều kiện chuẩn
(***)
Thay (**) và (***) vào (*) ta được:

Khi chuyển sang logarit thập phân ta được

Khi hệ đạt trạng thái cân bằng: E=0

5. Phương trình Nersnt về thế điện cực
. Đối với một cặp ôxy hóa- khử :
Ox + ne  Kh
Phương trình Nernst về thế điện cực có dạng:

(*)
Trong dung dịch loãng có thể thay hoạt độ bằng nồng độ.

(**)
Từ đó ta có thể tính sức điện động của pin theo phương trình Nersnt


6.Sự đo thế điện cực , điện cực chuẩn hidro
Thế điện cực chuẩn hidro:
Xác định thế điện cực bằng cách thiết lập một pin điện hợp bởi điện cực cần khảo sát và điện cực chuẩn hidro, quy ước:
Điện cực chuẩn hidro có E0 = 0,00V đặt bên trái, quy ước là anot.
Điện cực cần so sánh đặt bên phải, quy ước là catot
E0 = EC0 – EA0 = Ephải0 – Etrái0 = E0so sánh
Ví dụ: Xác định thế điện cực chuẩn của Zn2+/Zn
7.Dãy điện hóa (dãy hoạt động hóa học) và ý nghĩa.
Dãy điện hóa là một bảng xếp theo thứ tự tăng dần thế điện cực của các kim loại.
- Ý nghĩa: Dự đoán chiều của phản ứng ôxy hóa – khử, tính sức điện động của pin, hằng số cân bằng của phản ứng ôxy hóa khử và tiên đoán phản ứng ưu tiên trong thứ tự điện phân.

Tiết dạy đến đây là kết thúc, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô và các bạn sinh viên!
Hình 6.2. Sơ đồ cách đo thế điện cực của điện cực kẽm và thế điện cực chuẩn hidro.


Pin điện

Cấu tạo: Hai điện cực, 1 cầu muối, 1 dây dẫn, một vôn kế.
Cực âm: Zn - 2e  Zn2+
Cực dương: Cu2+ +2e  Cu
Phản ứng tổng hợp:
Cu2+ + Zn  Cu + Zn2+
Sơ đồ xác định thế điện cực chuẩn của Zn2+/Zn
Pin điện
Thí nghiệm đo thế điện cực Zn2+/Zn
Bảng giá trị thế điện cực chuẩn
Bài tập 1: Tính hằng số cân bằng của phản ứng sau ở 25oC
Cd + Pb2+ Cd2+ + Pb

Hay K = 109,13 = 1,3.109
Ðiều này nói lên rằng ở điều kiện cân bằng nồng độ Cd2+ gấp hơn một tỷ lần nồng độ Pb2+.

Bài tập 2: Tính sức điện động của pin điện được tạo thành khi ghép hai điện cực Zn2+/Zn (CZn2+ =0,01M) với điện cực Cu2+/Cu (Cu2+ =0,02M )
Giải
Tính thế điện cực của Zn2+/Zn: - 0,858V
Tính thế điện cực của Cu2+/Cu: 0,29V
Epin = ECu - Ezn=1,148V

Viết biểu thức phương trình Nernst cho các điện cực sau:
1. Cu2+ +2e  Cu
2. 2H+ + 2e  H2
3. MnO4- + 5e + 8H+  Mn2+ + 4H2O.
Giải: