GIA SƯ SV · HÓA HỌC 12

Bài 15. Thế điện cực và nguồn điện hóa – Hóa học 12

Sơ đồ Thế điện cực và nguồn điện hóa. Hình Gia Sư SV tự vẽ; mô hình minh họa, không thể hiện tỉ lệ vi mô hay thiết bị thực.

Em sẽ học được gì? Hiểu cặp oxi hóa – khử, ý nghĩa thế điện cực chuẩn, cấu tạo pin Galvani và cách tính suất điện động chuẩn.

Trước khi học: Phản ứng oxi hóa – khử; chất oxi hóa/chất khử; cân bằng electron.

1. Cặp oxi hóa – khử và thế điện cực chuẩn

Một cặp oxi hóa – khử gồm dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố, ký hiệu Ox/Red. Với kim loại M, có thể viết: $M^{n +} + n e^{-} ⇌ M$ . Dạng ion nhận electron là quá trình khử; kim loại nhường electron là quá trình oxi hóa.

Thế điện cực chuẩn $E^{\circ}$ đặc trưng cho khuynh hướng nhận electron của một cặp oxi hóa – khử ở điều kiện chuẩn, so với điện cực hydro chuẩn được quy ước $E^{\circ} = 0 V$ . Cặp có $E^{\circ}$ càng lớn thường có dạng oxi hóa càng có khuynh hướng nhận electron mạnh. Không được kết luận vận tốc phản ứng chỉ từ giá trị thế điện cực.

2. Pin Galvani biến đổi hóa năng thành điện năng

Một pin Daniell gồm điện cực Zn nhúng trong dung dịch chứa $Z n^{2 +}$ và điện cực Cu nhúng trong dung dịch chứa $C u^{2 +}$ , kết nối bằng dây dẫn ngoài và cầu muối. Khi pin phát điện:

Anode (cực âm): $Z n \to Z n^{2 +} + 2 e^{-}$ – xảy ra oxi hóa.
Cathode (cực dương): $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to C u$ – xảy ra khử.
Electron đi qua mạch ngoài từ Zn sang Cu; cầu muối duy trì cân bằng điện tích, không phải đường dẫn electron.

Phương trình tổng: $Z n + C u^{2 +} \to Z n^{2 +} + C u$ . Hãy nhìn sơ đồ pin Daniell ở trên để thấy chiều chuyển electron và vị trí hai điện cực.

3. Suất điện động chuẩn và điều kiện áp dụng

$E_{pin}^{\circ} = E_{cathode}^{\circ} - E_{anode}^{\circ}$

Giá trị trong bảng $E^{\circ}$ thường là thế khử chuẩn của từng cặp. Với $E_{C u^{2 +} / C u}^{\circ} = + 0, 34 V$ và $E_{Z n^{2 +} / Z n}^{\circ} = - 0, 76 V$ , suy ra $E_{pin}^{\circ} = 1, 10 V$ .

Nếu ghép điện cực ngược chiều làm $E_{pin}^{\circ} < 0$ , phản ứng theo chiều viết không tự diễn biến trong điều kiện chuẩn. Điện áp khi pin hoạt động thực tế có thể khác $E_{pin}^{\circ}$ , do nồng độ, nhiệt độ, điện trở trong và phân cực.

4. Ứng dụng và giới hạn

Pin dùng một lần biến đổi hóa năng thành điện năng; ắc quy là nguồn điện hóa có thể nạp lại trong điều kiện thích hợp. Pin nhiên liệu tiêu thụ liên tục nhiên liệu và chất oxi hóa được cấp từ ngoài, khác pin sạc. Khi thiết kế hệ pin cần chú ý an toàn, thu gom và tái chế theo quy định; không tháo hoặc đốt pin đã dùng.

Ví dụ có lời giải

Tính suất điện động chuẩn của pin Zn–Cu

Đề bài: Cho thế khử chuẩn $E_{Z n^{2 +} / Z n}^{\circ} = - 0, 76 V$ , $E_{C u^{2 +} / C u}^{\circ} = + 0, 34 V$ . Xác định cực âm, cực dương và suất điện động chuẩn.

Lời giải từng bước: Cu²⁺ nhận electron tại cathode (+), Zn bị oxi hóa tại anode (−). Vậy $E_{pin}^{\circ} = 0, 34 - (- 0, 76) = 1, 10 V$ .

Tự kiểm tra trước khi mở đáp án

Câu hỏi: Trong pin Zn–Cu đang phát điện, kim loại nào giảm khối lượng?

Xem đáp án và lý do

Zn. Zn bị oxi hóa thành Zn²⁺ tại anode.

Những lỗi dễ mắc

Nhầm anode luôn là cực dương: trong pin Galvani, anode là cực âm; trong bình điện phân, anode nối cực dương nguồn điện.
Nhầm chiều electron với chiều dòng điện quy ước hoặc chiều chuyển ion trong dung dịch.
Lấy hiệu thế theo thứ tự điện cực bất kỳ thay vì cathode trừ anode.

Ghi nhớ và luyện tiếp

Kiểm tra lại bản chất phản ứng, điều kiện và đơn vị trước khi làm bài tập. Mở bộ Luyện tập tương ứng để làm câu hỏi nhận biết → thông hiểu → vận dụng; sau khi nộp mới xem giải chi tiết hoặc chọn chế độ học để nhận gợi ý từng bước.

Biên soạn học liệu: Gia Sư SV. Các sơ đồ được vẽ mới cho bài; không phải bản sao tài liệu PDF tham khảo.

Ví dụ và kiến thức bổ trợ

Sơ đồ nguyên lí pin Zn–Cu theo dữ kiện ví dụ: Zn bị oxi hóa ở anode âm, Cu²⁺ bị khử ở cathode dương. Electron đi trong dây từ Zn sang Cu; cầu muối dẫn bằng ion. Sơ đồ không mô tả tỉ lệ kích thước thiết bị.

Mục tiêu và kiến thức nền

Xác định chất cho/nhận electron, ghép hai bán phản ứng và giải thích pin. Oxi hóa là nhường electron, số oxi hóa tăng; khử là nhận electron, số oxi hóa giảm. Chất oxi hóa bị khử, chất khử bị oxi hóa.

Cân bằng và cặp oxi hóa–khử

Viết dạng oxi hóa + ne⁻ ⇌ dạng khử cho từng cặp. Cân bằng nguyên tử và điện tích trong môi trường đã cho; tổng electron nhường bằng tổng electron nhận. Trong dung dịch acid, có thể dùng H⁺, H₂O để cân bằng O,H; trong kiềm cần chuyển về OH⁻ phù hợp. Không chỉ cân bằng số nguyên tử mà bỏ điện tích.

Pin và thế điện cực

Pin điện hóa tự phát chuyển hóa hóa năng thành điện năng. Anode xảy ra oxi hóa, cathode xảy ra khử; trong pin galvanic anode âm và cathode dương. Electron đi trong mạch ngoài từ anode tới cathode; cầu muối giúp duy trì cân bằng điện tích bằng chuyển động ion, không dẫn electron qua dung dịch như dây kim loại.

Theo thế khử chuẩn, E°pin=E°cathode−E°anode. E°pin>0 cho biết xu hướng tự phát của phản ứng theo chiều viết ở điều kiện chuẩn phù hợp; không nhân thế điện cực với hệ số khi nhân bán phản ứng. Thế chuẩn mô tả điều kiện quy ước, không thay cho mọi điều kiện nồng độ thực; tốc độ và lớp thụ động cũng có thể ảnh hưởng hiện tượng.

Phương pháp, lỗi thường gặp và ghi nhớ

Chọn cặp có thế khử cao hơn làm chiều khử nếu xét pin chuẩn tự phát; đảo chiều bán phản ứng còn lại; nhân số electron rồi cộng phản ứng. Đối chiếu khối lượng điện cực: kim loại bị oxi hóa thường giảm, ion được khử bám điện cực có thể tăng. Anode luôn oxi hóa và cathode luôn khử; dấu điện cực phụ thuộc pin hay điện phân.

Ví dụ có lời giải từng bước

Xét pin chuẩn Zn/Zn²⁺ và Cu²⁺/Cu, cho E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V, E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V. Xác định hai điện cực và sức điện động chuẩn theo dữ kiện.

E^{\circ}_{\mathrm{pin}}=0.34-(-0.76)=1.10\ \mathrm{V}

Cặp Cu²⁺/Cu có thế khử cao hơn nên cathode xảy ra Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu.
Anode xảy ra Zn → Zn²⁺ + 2e⁻. Electron trong mạch ngoài đi từ Zn đến Cu; ion trong cầu muối giúp cân bằng điện tích.
E°pin = E°cathode − E°anode = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V. Phản ứng tổng là Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu.

Anode luôn oxi hóa, cathode luôn khử; không nhân thế điện cực với hệ số cân bằng.

Tự kiểm tra

Thử trả lời rồi mới mở lời giải.

Cầu muối đưa electron từ bình Zn sang bình Cu đúng không?

Không. Electron đi trong dây dẫn ngoài; dòng điện trong cầu muối do chuyển động ion.

Nhân một bán phản ứng lên 2 lần có nhân E° lên 2 không?

Không. Số mol electron tăng theo hệ số, nhưng thế điện cực không nhân theo hệ số đó.

Tóm tắt và học tiếp

Anode luôn oxi hóa, cathode luôn khử; không nhân thế điện cực với hệ số cân bằng.

Luyện tập bài này

Các liên kết dưới đây là đề tổng hợp đã có, bao quát nhiều chủ đề. Chọn câu liên quan để vận dụng; đây không phải bộ bài tập chỉ dành riêng cho bài vừa học. Có thể tìm thêm theo lớp/môn trong Thư viện Luyện tập.