Bài 20. Dãy điện hóa của kim loại
Biết khái niệm cặp oxi hóa – khử, pin điện hóa, cấu tạo của pin điện hóa, sự di chuyển của các phân tử mang điện trong pin điện hóa
Giới thiệu
I- KHÁI NIỆM VỀ CẶP OXI HÓA – KHỬ CỦA KIM LOẠI
Trong phản ứng hóa học, cation kim loại có thể nhận electron để trở thành nguyên tử kim loại và ngược lại, nguyên tử có thể nhường electron để trở thành cation kim loại.
Thí dụ:
.png)
Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử. Các cặp oxi hóa – khử được viết như sau: Fe2+/Fe;Cu2+/Cu;Ag+/Ag
Tổng quát: Mn+/M
II- PIN ĐIỆN HÓA
1. Khái niệm về pin điện hóa, suất điện động và thế điện cực
– Hai cốc thủy tinh, một cốc chứa 50 ml dung dịch CuSO4 1M, cốc kia chứa 50 ml dung dịch ZnSO4 1M. Nhúng một lá Cu vào dung dịch CuSO4, một lá Zn vào dung dịch ZnSO4. Nối hai dung dịch bằng một ống hình chữ U đựng dung dịch NH4NO3 hoặc KNO3. Ống này được gọi là cầu muối. Thiết bị nói trên được gọi là pin điện hóa, vì khi nối hai lá kim loại bằng một dây dẫn sẽ đo được một dòng điện đi từ lá Cu (điện cực +) đến lá Zn (điện cực −).
– Sự xuất hiện dòng điện đi từ cực đồng sang cực kẽm chứng tỏ rằng có sự chênh lệch điện cực nói trên, tức là trên mỗi điện cực đã xuất hiện một thế điện cực nhất định.
Hiệu điện thế lớn nhất giữa hai điện cực Epin, tức là hiệu của thế điện cực dương (E+) với thế điện cực âm (E−) được gọi là suất điện động của pin điện hóa (Epin=E+−E−).
Suất điện động của pin điện hóa luôn là số dương và phụ thuộc vào bản chất của kim loại làm điện cực, nồng độ dung dịch và nhiệt độ.
Suất điện động của pin điện hóa khi nồng độ ion kim loại đều bằng 1M (ở 250C) gọi là suất điện động chuẩn và được kí hiệu là E0pin. Tương tự trên ta có: E0pin=E0(+)−E0(−). Đối với pin điện hóa Zn−Cu như hình trên ta có: Eopin=Eo(Cu2+/Cu)−Eo(Zn2+/Zn)
Suất điện động có thể đo được bằng vôn kế có điện trở lớn. Vôn kế cho biết suất điện động của pin điện hóa nói trên: (Epin)=1,10V
2. Cơ chế phát sinh dòng điện trong pin điện hóa
– Ở lá Zn, các nguyên tử kẽm để lại electron trên bề mặt điện cực và tan vào dung dịch dưới dạng ion Zn2+.Ở đây xảy ra sự oxi hóa các nguyên tử Zn2+:
Zn→Zn2++2e
– Lá Zn trở thành nguồn electron nên đóng vai trò cực âm. Các electron theo dây dẫn cực Cu. Ở đây, xảy ra sự khử các ion Cu2+ trong dung dịch thành Cu bám trên bề mặt lá Cu:
Cu2++2e→Cu
– Trong cầu muối, các cation NH+4 hoặc K+ di chuyển sang cốc đựng dung dịch CuSO4, các anion NO−3 di chuyển sang cốc đựng dung dịch ZnSO4 làm cân bằng điện tích, nên các dung dịch luôn trung hòa điện.
Ở mạch ngoài (dây dẫn ), dòng electron đi từ cực kẽm sang cực đồng, nghĩa là theo quy ước của điện học, dòng điện đi từ cực đồng sang cực kẽm. Vì thế, cực điện kẽm được gọi là anot. Theo cơ chế trên, anot là nơi xảy ra sự oxi hóa. Điện cực đồng gọi là catot. Về bản chất điện hóa học thì catot là nơi xảy ra sự khử ion Cu2+.
Trong pin điện hóa, anot là cực âm, còn catot là cực dương.
– Các phản ứng oxi hóa hóa và khử xảy ra trên bề mặt các điện cực của pin điện hóa nói trên có thể được viết tổng hợp lại bằng phương trình ion rút gọn: Zn+Cu2+→Cu+Zn2+
Như vậy, trong pin điện hóa Zn−Cu đã xảy ra phản ứng oxi hóa- khử: Cu2+ (chất oxi hóa mạnh hơn) đã oxi hóa Zn (chất khử mạnh hơn) thành Zn2+ (chất oxi hóa yếu hơn) và Cu (chất khử yếu hơn) và năng lượng hóa học của phản ứng oxi hóa – khử đã chuyển hóa thành điện năng.
III- THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI
Như đã nói ở trên, suất điện động chuẩn, tức là hiệu các thế điện cực của các điện cực chuẩn đo được bằng vôn kế. Nhưng không thể đo được giá trị tuyệt đối thế điện cực của các điện cực chuẩn. Để giải quyết khó khăn này, người ta đưa ra một điện cực so sánh và chấp nhận một cách quy ước rằng thế điện cực của nó bằng không. Đó là điện cực hiđro chuẩn.
1. Điện cực hiđro chuẩn.
– Cấu tạo của điện cực hiđro chuẩn gồm một tấm platin được phủ muội platin, nhúng trong dung dịch axit có nồng độ ion H+ là 1M. Bề mặt điện cực hấp phụ khí hiđro, được thổi liên tục vào dung dịch dưới áp suất 1 atm. Như vậy, trên bề mặt điện cực hiđro xảy ra cân bằng oxi hóa – khử của cặp oxi hóa – khử 2H+/H2:
H2⇌2H++2e
– Người ta chấp nhận một cách quy ước rằng thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn bằng 0,00V ở mọi nhiệt độ, tức là: Eo2H+/H2=0,00V
2. Thế điện cực chuẩn của kim loại
Điện cực kim loại mà nồng độ ion kim loại trong dung dịch bằng 1M được gọi là là điện cực chuẩn
Để xác định thế điện cực chuẩn của kim loại nào đó, ta thiết lập một pin điện hóa gồm: điện cực chuẩn của kim loại cần xác định với điện cực hiđro chuẩn, (thí dụ như hình dưới). Vì thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn được quy ước bằng không, nên thế điện cực chuẩn của kim loại cần đo được chấp nhận bằng suất điện động của pin tạo bởi điện cực chuẩn của kim loại cần đo.
Trong pin điện hóa nói trên, nếu kim loại đóng vai trò cực âm, thì thế điện cực chuẩn của kim loại có giá trị âm. Còn nếu kim loại đóng vai trò cực dương, thì thế điện cực chuẩn của kim loại có giá trị dương.
Trong các bẳng số liệu thường người ta cho giá trị thế điện cực chuẩn ở 25oC.
Thí dụ 1: Xác định thế điện cực chuẩn của cặp Zn2+/Zn
Cho pin điện hóa Zn−H2 như hình dưới. Điện kế cho biết dòng điện đi từ điện cực hiđro chuẩn sang điện cực kẽm chuẩn và suất điện động của pin bằng 0,76V (kí hiệu là EoZn2+/Zn=−0,76V).
Phản ứng xảy ra trên điện cực âm (anot): Zn→Zn2++2e
Phản ứng xảy ra trên điện cực dương (catot): 2H++2e→H2
Phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong pin điện hóa: Zn+2H+→Zn2++H2
Thí dụ 2: Xác định thế điện cực chuẩn của cặp Ag+/Ag
Cho pin điện hóa H2−Ag như hình dưới. Điện kế cho biết dòng điện ở mạch ngoài đi từ điện cực bạc chuẩn sang điện cực hiđro chuẩn và suất điện động của pin bằng 0,80V. Như vậy, thế điện cực chuẩn của cặp Ag+/Ag là +0,80 (kí hiệu là EoAg+/Ag=+0,80V).
Phản ứng xảy ra trên điện cực âm (anot): H2→2H++2e
Phản ứng xảy ra trên điện cực dương (catot): Ag++e→Ag
Phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong pin điện hóa: 2Ag++H2→2Ag+2H+
IV- DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI
Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại là dãy sắp xếp các kim loại theo thứ tự tăng dần thế điện cực chuẩn.
Dưới đây là dãy thế điện cực chuẩn ở 25oC của một số cặp oxi hóa – khử Mn+/M (M là những kim loại thông dụng) có trị số tính ra vôn (V):
V- Ý NGHĨA CỦA DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI
1. So sánh tính oxi hóa – khử
Trong dung môi nước, thế điện cực chuẩn của kim loại E0Mn+/M càng lớn thì tính oxi hóa của cation Mn+ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu. Ngược lại, E0Mn+/M càng nhỏ thì tính oxi hóa của cation Mn+ càng yếu và tính khử của kim loại M càng mạnh.
2. Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử
a) Kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn khử được cation kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn (nói cách khác, cation kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn có thể oxi hóa được kim loại trong cặp có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn).
Để viết đúng chiều của phản ứng oxi hóa – khử, người ta viết cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn nhỏ ở bên trái, cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn ở bên phải rồi viết phương trình phản ứng oxi hóa – khử theo quy tắc α
Thí dụ: E0Cu2+Cu=+0,34V và E0Ag+/Ag=+0,80V, ta có:
Chữ anpha quy tắc α
b) Kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn âm khử được ion hiđro của dung dịch axit (nói cách khác, cation H+ trong cặp 2H+/H2 có thể oxi hóa được kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn âm).
Thí dụ: E0Mg2+/Mg=−2,37V và E02H+/H2=0,00V, ta có:
Phản ứng oxi hóa – khử xảy ra theo chiều cation H+ trong dung dịch axit oxi hóa Mg thành cation Mg2+ và cation H+ bị khử thành H2:
Mg+2H+→Mg2++H2
3. Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hóa
Suất điện động chuẩn của pin điện hóa (E0pin) bằng thế điện cực chuẩn của cực dương trừ đi thế điện cực chuẩn của cực âm. Suất điện động của pin điện hóa luôn là số dương.
Thí dụ:
Suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn−Cu:
E0pin=E0Cu2+/Cu−E0Zn2+/Zn
=0,34V−(−0,76V)
=1,10V
Suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn−Pb:
E0pin=E0Pb2+/Pb−E0Zn2+/Zn
=−0,13V−(−0,76V)
=0,63V
4. Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử
Ta có thể xác định được thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử khi biết suất điện động chuẩn của pin điện hóa (E0pin) và thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử còn lại.
Thí dụ:
.png)
Tổng số đánh giá:
Xếp hạng: / 5 sao
Chia sẻ
Các bài giảng hoá học liên quan
Bài 6. Saccarozơ, tinh bột và xenlulozơ
Nội dung bài học giúp các bạn học sinh hiểu rõ về cấu tạo phân tử, những tính chất điển hình và ứng dụng của saccarozơ, tinh bột, xenlulozơ.
Bài 19. Hợp kim
Nội dung tiết học đề cập đến khái niệm Hợp kim và nghiên cứu về cấu tạo cũng như tính chất và ứng dụng của chúng.
Bài 3. Luyện tập: Thành phần nguyên tử
Bài học củng cố kiến thức về Thành phần cấu tạo nguyên tử, hạt nhân nguyên tử, khối lượng, kích thước, điện tích các hạt. Các định nghĩa nguyên tố hóa học, kí hiệu nguyên tử, đồng vị, nguyên tử khối, nguyên tử khối trung bình…Rèn luyện kĩ năng xác định số electron, proton, notron, nguyên tử khối,…
Một số định nghĩa cơ bản trong hoá học.
Mol là gì?
Trong hóa học, khái niệm mol được dùng để đo lượng chất có chứa 6,022.10²³ số hạt đơn vị nguyên tử hoặc phân tử chất đó. Số 6,02214129×10²³ – được gọi là hằng số Avogadro.
Độ âm điện là gì?
Độ âm điện là đại lượng đặc trưng định lượng cho khả năng của một nguyên tử trong phân tử hút electron (liên kết) về phía mình.
Kim loại là gì?
Kim loại (tiếng Hy Lạp là metallon) là nguyên tố có thể tạo ra các ion dương (cation) và có các liên kết kim loại, và đôi khi người ta cho rằng nó tương tự như là cation trong đám mây các điện tử.
Nguyên tử là gì?
Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của nguyên tố hóa học không thể chia nhỏ hơn được nữa về mặt hóa học.
Phi kim là gì?
Phi kim là những nguyên tố hóa học dễ nhận electron; ngoại trừ hiđrô, phi kim nằm bên phải bảng tuần hoàn.
Những sự thật thú vị về hoá học có thể bạn chưa biết
Sự thật thú vị về Hidro
Hydro là nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn. Nó là nguyên tử đơn giản nhất có thể bao gồm một proton trong hạt nhân được quay quanh bởi một electron duy nhất. Hydro là nguyên tố nhẹ nhất trong số các nguyên tố và là nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ.
Sự thật thú vị về heli
Heli là một mặt hàng công nghiệp có nhiều công dụng quan trọng hơn bong bóng tiệc tùng và khiến giọng nói của bạn trở nên vui nhộn. Việc sử dụng nó là rất cần thiết trong y học, khí đốt cho máy bay, tên lửa điều áp và các tàu vũ trụ khác, nghiên cứu đông lạnh, laser, túi khí xe cộ, và làm chất làm mát cho lò phản ứng hạt nhân và nam châm siêu dẫn trong máy quét MRI. Các đặc tính của heli khiến nó trở nên không thể thiếu và trong nhiều trường hợp không có chất nào thay thế được heli.
Sự thật thú vị về Lithium
Lithium là kim loại kiềm rất hoạt động về mặt hóa học, là kim loại mềm nhất. Lithium là một trong ba nguyên tố được tạo ra trong BigBang! Dưới đây là 20 sự thật thú vị về nguyên tố Lithium – một kim loại tuyệt vời!
Sự thật thú vị về Berili
Berili (Be) có số nguyên tử là 4 và 4 proton trong hạt nhân của nó, nhưng nó cực kỳ hiếm cả trên Trái đất và trong vũ trụ. Kim loại kiềm thổ này chỉ xảy ra tự nhiên với các nguyên tố khác trong các hợp chất.
Sự thật thú vị về Boron
Boron là nguyên tố thứ năm của bảng tuần hoàn, là một nguyên tố bán kim loại màu đen. Các hợp chất của nó đã được sử dụng hàng nghìn năm, nhưng bản thân nguyên tố này vẫn chưa bị cô lập cho đến đầu thế kỉ XIX.
So sánh các chất hoá học phổ biến.
C2H4(OOCH)2 và CnH2n+2–2kO2
Điểm khác nhau về tính chất vật lý, hoá học giữa chất Acetyl peroxide và chất este đơn chức,mạch hở
CH2(COONa)2 và C17H35COONa
Điểm khác nhau về tính chất vật lý, hoá học giữa chất Disodium malonate và chất natri stearat
C15H31COONa và C17H33COONa
Điểm khác nhau về tính chất vật lý, hoá học giữa chất natri panmitat và chất natri oleat
C4H9Cl và C4H9OH
Điểm khác nhau về tính chất vật lý, hoá học giữa chất sec-butyl clorua và chất 2-butanol