CHUYÊN ĐỀ 20: PIN ĐIỆN – ĐIỆN PHÂN – 1,01^365 = 37,8 (Mỗi nỗ lực, dù là nhỏ nhất, đều có Ý nghĩa)

CẨM NANG ÔN THI TỐT NGHIỆP

Nội dung bài học

THẾ ĐIỆN CỰC VÀ NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

Cặp oxi hóa – khử

– Dạng oxi hóa (Mⁿ⁺) và dạng khử (M) của cùng một kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử Mⁿ⁺/M.

Mⁿ⁺ + ne M

Dạng oxi hóa Dạng khử Cặp oxi hóa – khử: Mⁿ⁺/M (Dạng oxi hóa/ Dạng khử)

– Một kim loại có thể có nhiều cặp oxi hóa – khử và dạng khử có thể là cation.

VD: Na⁺/Na, Mg²⁺/Mg, Al³⁺/Al, Fe²⁺/Fe, Fe³⁺/Fe, Fe³⁺/Fe²⁺, …

Thế điện cực chuẩn
Điện cực và thế điện cực chuẩn

♦ Khi nhúng thanh kim loại (M) vào dung dịch muối của kim loại đó (Mⁿ⁺) sẽ tạo thành một điện cực.

VD: Nhúng thanh Zn vào dung dịch muối chứa Zn²⁺ sẽ tạo thành điện cực kẽm.

Nhúng thanh Cu vào dung dịch muối chứa Cu²⁺ sẽ tạo thành điện cực đồng.

♦ Ở mỗi điện cực sẽ xuất hiện một đại lượng đặc trưng về điện thế gọi là thế điện cực (E).

♦ Thế điện cực đo ở điều kiện chuẩn (nồng độ ion kim loại là 1 M, nhiệt độ 25 ^oC) thì được gọi là thế điện cực chuẩn của kim loại. Kí hiệu: , đơn vị là volt (V).

– Bằng cách đo sự chênh lệch điện thế giữa điện cực cần đo với điện cực hydrogen ở điều kiện chuẩn người ta xác định được thế điện cực chuẩn của điện cực đó (quy ước: ).

Cặp Oxi hóa – khử	Na⁺/Na	Mg²⁺/Mg	Al³⁺/Al	Zn²⁺/Zn	Fe²⁺/Fe	Ni²⁺/Ni	Sn²⁺/Sn	Pb²⁺/Pb
(V)	– 2,713	-2,356	-1,676	-0,672	-0,44	-0,257	-0,137	-0,126
Cặp Oxi hóa – khử	2H⁺/H₂	Cu²⁺/Cu	Fe³⁺/Fe²⁺	Ag⁺/Ag	Hg²⁺/Hg	Pt²⁺/Pt	Au³⁺/Au
(V)	0,000	+0,34	+0,771	+0,799	+0,853	+1,188	+1,52

– Giá trị thế điện cực chuẩn là đại lượng đánh giá khả năng khử của dạng khử, khả năng oxi hóa của dạng oxi hóa trong điều kiện chuẩn.

– Giá trị thế điện cực chuẩn càng lớn thì dạng khử có tính khử càng yếu, dạng oxi hóa có tính oxi hóa càng mạnh và ngược lại.

Ý nghĩa của thế điện cực chuẩn
So sánh tính khử, tính oxi hóa giữa các cặp oxi hóa – khử

– Nếu

– Các cặp oxi hóa – khử được xếp thành một dãy theo chiều tăng dần thế điện cực chuẩn gọi là dãy điện hóa của kim loại:

Dự đoán chiều phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử (quy tắc alpha)

III. Pin điện hóa

Phản ứng oxi hóa – khử và dòng điện

– Phản ứng oxi hóa – khử luôn kèm theo sự chuyển dịch electron từ chất khử sang chất oxi hóa. Nếu các quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hóa gián tiếp qua dây dẫn thì năng lượng của phản ứng hóa học sẽ chuyển thành năng lượng điện.

Pin Galvani

(a) Cấu tạo – Một pin Galvani gồm hai cặp oxi hóa – khử khác nhau và thường có cấu tạo như hình bên. – Pin Galvani Zn – Cu gồm hai điện cực Zn và Cu: Hai thanh kim loại nối với nhau bằng dây dẫn qua vôn kế, hai dung dịch nối với nhau qua cầu muối. (b) Nguyên tắc hoạt động – Dựa trên phản ứng oxi hóa – khử tự diễn biến, trong đó electron chuyển từ cực âm sang cực dương thông qua một dây dẫn điện. – Phản ứng hóa học diễn ra trong pin kèm theo sự giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.			Pin Galvani Zn – Cu
	Anode (-) (Zn)	Cathode (+) (Cu)
	– Anode: cực âm, chứa kim loại mạnh hơn, xảy ra quá trình oxi hóa. – Quá trình oxi hóa: Zn → Zn²⁺ + 2e	– Cathode: cực dương, chứa kim loại yếu hơn, xảy ra quá trình khử. – Quá trình khử: Cu²⁺ + 2e → Cu
	– Phản ứng diễn ra trong pin: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s) – Trong quá trình pin hoạt động, cầu muối cho phép các ion di chuyển qua, do đó vừa đóng kín mạch điện, vừa trung hòa điện của mỗi dung dịch.

(c) Sức điện động của pin điện hóa

– Sức điện động chuẩn của pin điện hóa:

Lắp ráp một pin đơn giản

♦ Chuẩn bị

– Hóa chất: Các thanh kim loại: Zn, Cu, Fe; quả chanh, quả cam, củ khoai tây, …

– Dụng cụ: Dây điện có sẵn kẹp cá sấu hai đầu, vôn kế.

♦ Tiến hành

– Chọn hai điện cực là hai kim loại khác nhau. VD: Thanh kẽm và thanh đồng.

– Cắm hai thanh kim loại vào quả chanh.

– Nối cực âm của vôn kế với thanh kẽm và cực dương của vôn kế với thanh đồng.

♦ Yêu cầu: Đo sức điện động của pin đã lắp theo mô hình trên.

♦ Chú ý: Không để hai thanh kim loại tiếp xúc với nhau.

Một số loại pin khác

	Acquy chì	Pin nhiên liệu	Pin Mặt Trời
Đặc điểm	– Acquy được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông, thiết bị lưu, phát điện. – Có thể tái sử dụng nhiều lần bằng cách sạc điện.	– Là loại pin biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng nhờ quá trình oxi hóa gián tiếp nhiên liệu (hydrogen, ethanol, …) bằng chất oxi hóa (thường là oxygen).	– Là loại pin biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn (phổ biến là silicon) được ghép nối với nhau.
Ưu điểm	– Dễ sản xuất, giá thành thấp. – Hoạt động ổn định. – Dễ thu hồi sulfuric acid và chì để tái chế.	– 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.	– Là nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. – Tận dụng được năng lượng vô tận của Mặt Trời.
Nhược điểm	– Nặng, tuổi thọ thấp (khoảng 1 năm). – Gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc chì ở các làng nghề tái chế acquy cũ.	– Giá thành cao.	– Sản xuất khá phức tạp, giá thành cao. – Cần nhiều ánh nắng nên phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết. – Các tấm pin Mặt Trời hết hạn sử dụng có nguy cơ gây ra ô nhiễm môi trường.

ĐIỆN PHÂN

Hiên tượng điện phân
Khái niệm

– Điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

Nguyên tắc (thứ tự) điện phân

– Cathode (cực âm): Xảy ra quá trình khử ion dương.

– Anode (cực dương): Xảy ra quá trình oxi hóa ion âm.

Nguyên tắc điện phân nóng chảy

– Nguyên tắc khử ở cathode: Chất oxi hóa mạnh hơn bị khử trước.

– Nguyên tắc oxi hóa ở anode: Chất khử mạnh hơn bị oxi hóa trước.

♦ Điện phân nóng chảy NaCl điện cực trơ (graphite)

– Khi nóng chảy: NaCl → Na⁺ + Cl^– khi có dòng điện Na⁺, Cl^– di chuyển về các điện cực

Cathode (-): Na⁺	Anode (+): Cl^–
Na⁺ + 1e → Na	2Cl^– → Cl₂ + 2e

– Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: 2NaCl 2Na + Cl₂

Nguyên tắc điện phân dung dịch

– Nguyên tắc khử ở cathode: Chất oxi hóa mạnh hơn bị khử trước.

– Nguyên tắc oxi hóa ở anode: Chất khử mạnh hơn bị oxi hóa trước.

+ Các anion chứa oxygen như SO₄^2-, CO₃^2-, NO₃^–, PO₄^3-, ClO₄^– và F^– coi như không bị điện phân.

+ Các ion còn lại điện phân theo thứ tự: I^– → Br^– → Cl^– → H₂O

– Quá trình oxi hóa và khử H₂O:

H₂O bị khử ở cathode	H₂O bị oxi hóa ở anode
2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–	2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

♦ Điện phân dung dịch CuSO₄ với các điện cực trơ (graphite)

– Trong dung dịch: CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2- khi có dòng điện Cu²⁺, SO₄^2- di chuyển về các điện cực:

Cathode (-): Cu²⁺, H₂O	Anode (+): SO₄^2-, H₂O
Cu²⁺ + 2e → Cu	2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

– Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: CuSO₄ + H₂O Cu + ½ O₂↑ + H₂SO₄

♦ Điện phân dung dịch NaCl với các điện cực trơ (graphite)

– Trong dung dịch: NaCl → Na⁺ + Cl^– khi có dòng điện Na⁺, Cl^– di chuyển về các điện cực

Cathode (-): Na⁺, H₂O	Anode (+): Cl^–, H₂O
2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–	2Cl^– → Cl₂ + 2e

– Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: NaCl + H₂O NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

– Khi điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn thì Cl₂ và NaOH sinh ra sẽ phản ứng với nhau tạo nước Javel theo phương trình: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

Ứng dụng của phương pháp điện phân
Sản xuất kim loại

– Trong công nghiệp, các kim loại trung bình và yếu (yếu hơn Al) được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch.

– Các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, Al, … được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy hợp chất ion của chúng.

VD: Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy Al₂O₃ (lấy từ quặng bauxite: Al₂O₃.2H₂O), điện cực than chì, có mặt cryolite (Na₃AlF₆) nóng chảy.

Cathode (-): Al³⁺	Anode (+): O^2-
Al³⁺ + 3e → Al	2O^2- → O₂ + 4e

♦ Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: 2Al₂O₃ 4Al + 3O₂

♦ Cryolite có ba tác dụng: Hạ nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃ giúp tiết kiệm năng lượng, tạo ra chất lỏng dẫn điện tốt, nhẹ nổi lên trên ngăn cách Al lỏng tạo thành với không khí.

♦ Khí O₂ sinh ra tác dụng với điện cực anode than chì thành CO và CO₂ nên cần hạ thấp dần các điện cực anode vào thùng điện phân.

Tinh chế kim loại

– Phương pháp điện phân với anode tan được dùng để tinh chế một số kim loại như Cu, Ag, Au, …

– Trong phương pháp này thì kim loại cần tinh chế dùng làm anode và điện phân dung dịch với chất tan là muối hoặc phức chất của kim loại đó.

VD: Điện phân dung dịch CuSO₄ với anode bằng đồng thô và cathode bằng đồng tinh khiết.

♦ Tại anode: Cu bị oxi hóa thành Cu²⁺ đi vào dung dịch nên anode tan dần: Cu → Cu²⁺ + 2e

♦ Tại cathode: Cu²⁺ bị khử thành Cu bám trên cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

Quá trình này chuyển dời kim loại Cu từ anode (dạng đồng thô) về cathode (dạng đồng tinh khiết) và kết quả là thu được đồng tinh khiết ở cathode.

Mạ điện

– Phương pháp điện phân với anode tan cũng được sử dụng trong kĩ thuật mạ điện nhằm bảo vệ kim loại không bị ăn mòn và làm cho chúng trở nên sáng bóng, đẹp với lớp mạ rất mỏng.

– Trong kĩ thuật mạ điện, anode là kim loại dùng để mạ (như Ag, Cu, A, Cr, Ni, Sn, …) và cathode là vật cần mạ.

VD: Để mạ đồng lên một chiếc chìa khóa người ta tiến hành điện phân dung dịch CuSO₄ với anode là kim loại Cu và cathode là chiếc chìa khóa.

♦ Tại anode: Cu → Cu²⁺ + 2e

♦ Tại cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

– Độ dày lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy qua dung dịch điện phân và thời gian mạ.

Dạng 1: Bài toán về sức điện động

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

♦ Thế điện cực chuẩn của một số cặp oxi hóa – khử:

Cặp Oxi hóa – khử	Na⁺/Na	Mg²⁺/Mg	Al³⁺/Al	Zn²⁺/Zn	Fe²⁺/Fe	Ni²⁺/Ni	Sn²⁺/Sn	Pb²⁺/Pb
(V)	– 2,713	-2,356	-1,676	-0,672	-0,44	-0,257	-0,137	-0,126
Cặp Oxi hóa – khử	2H⁺/H₂	Cu²⁺/Cu	Fe³⁺/Fe²⁺	Ag⁺/Ag	Hg²⁺/Hg	Pt²⁺/Pt	Au³⁺/Au
(V)	0,000	+0,34	+0,771	+0,799	+0,853	+1,188	+1,52

– Giá trị trên có thể sai khác do tham khảo các nguồn tài liệu khác nhau. Nếu đề bài cho giá trị thế điện cực chuẩn thì sử dụng giá trị cho ở đề bài.

♦ Sức điện động của pin điện hóa:

Dạng 2: Bài toán điện phân

LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI

1. Lý thuyết về điện phân

♦ Điện phân nóng chảy

– Nguyên tắc khử ở cathode: Chất oxi hóa mạnh hơn bị khử trước.

– Nguyên tắc oxi hóa ở anode: Chất khử mạnh hơn bị oxi hóa trước.

♦ Điện phân dung dịch

– Nguyên tắc khử ở cathode: Chất oxi hóa mạnh hơn bị khử trước.

– Nguyên tắc oxi hóa ở anode: Chất khử mạnh hơn bị oxi hóa trước.

+ Các anion chứa oxygen như SO₄^2-, CO₃^2-, NO₃^–, PO₄^3-, ClO₄^– và F^– coi như không bị điện phân.

+ Các ion còn lại điện phân theo thứ tự: I^– → Br^– → Cl^– → H₂O

– Quá trình oxi hóa và khử H₂O:

H₂O bị khử ở cathode	H₂O bị oxi hóa ở anode
2H₂O + 2e → H₂ + 2OH^–	2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e

♦ Điện lượng:

Trong đó: là điện lượng là số mol electron đi qua dây dẫn, là cường độ dòng điện là thời gian (giây), là hằng số Faraday .

2. Phương pháp giải bài tập điện phân

– Sử dụng định luật bảo toàn e: .

– m_{dd giảm} = m_{kim loại} + m_khí.

– m_{cathode tăng} = m_{kim loại sinh ra}.

– Khi điện phân dung dịch hỗn hợp nhiều chất thì viết quá trình điện phân tại các điện cực theo thứ tự và dựa vào giữ kiện đề bài như mol e trao đổi, m_{dd giảm}, m_{cathode tăng}, bắt đầu thoát khí, … để xác định xem phản ứng dừng lại ở đâu.

– Khi điện phân tại các thời điểm khác nhau thì thời gian tỉ lệ thuận với mol e trao đổi: