Dãy điện hóa của kim loại

Thứ bảy, 18 Tháng 12 2010 20:35 -

I – KHÁI NIỆM VỀ CẶP OXI HÓA – KHỬ CỦA KIM LOẠI

Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử. Một

cặp oxi hóa – khử được biểu diễn dưới dạng oxi hóa/khử (Mn+/M).

Ví dụ: Cu2+ và Cu tạo thành một cặp oxi hóa – khử Cu2+/Cu

II – PIN ĐIỆN HÓA

1. Khái niệm về pin điện hóa, suất điện động và thế điện cực

a) Cấu tạo pin điện hóa:

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 hình chữ U đựng dung dịch Na2SO4 (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 –)

b) Suất điện động và thế điện cực:

- Sự xuất hiện dòng điện đi từ cực Cu sang cực Zn chứng tỏ rằng có sự chênh lệch điện thế

giữa hai điện cực nói trên, tức là trên mỗi điện cực đã xuất hiện một thế điện cực nhất định

1 / 4

Dãy điện hóa của kim loại

Thứ bảy, 18 Tháng 12 2010 20:35 -

- Suất điện động của pin (E) là hiệu của thế điện cực dương (E(+)) và điện cực âm (E(-)). Điện

cực dương là điện cực có thế lớn hơn và suất điện động của pin luôn là số dương

E = E(+) – E(-)

- Suất điện động chuẩn của pin (Eo) là suất điện động khi nồng độ ion kim loại ở điện cực đều

bằng 1M (ở 25oC)

Eo = Eo(+) – Eo(-) hoặc Eo = Eocatot – Eoanot

- Ví dụ Eo = EoCu2+/Cu – EoZn2+/Zn gọi là suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Cu

2. Cơ chế phát sinh dòng điện trong pin điện hóa

a) Quan sát thí nghiệm:

2 / 4

Dãy điện hóa của kim loại

Thứ bảy, 18 Tháng 12 2010 20:35 -

Chuẩn bị sẵn pin điện hóa Zn – Cu, nối hai điện cực Zn và Cu bằng một dây dẫn, trên dây cómắc nối tiếp một vôn kế: - Xuất hiện dòng điện một chiều từ lá Cu (cực +) sang lá Zn (cực –) nhưng chiều di chuyển củadòng electron mạch ngoài thì ngược lại, từ lá Zn (cực –) sang lá Cu (cực +). Suất điện độngcủa pin đo được là 1,10 V - Điện cực Zn bị ăn mòn dần - Có một lớp kim loại đồng bám trên điện cực Cu - Màu xanh của cốc đựng dung dịch CuSO4 bị nhạt dần b) Giải thích hiện tượng của thí nghiệm: - Điện cực Zn bị oxi hóa: Zn → Zn2+ + 2e (sự mất electron xảy ra trên bề mặt lá Zn và lá Zntrở thành nguồn electron nên đóng vai trò cực âm, các electron theo dây dẫn đến cực Cu). Dovậy cực Zn bị ăn mòn - Trong cốc đựng dung dịch CuSO4, các ion Cu2+ di chuyển đến lá Cu, tại đây chúng bị khửthành Cu kim loại bám trên cực đồng: Cu2+ + 2e → Cu. Nồng độ Cu2+ trong dung dịch giảmdần, khiến cho màu xanh trong dung dịch nhạt dần - Trong quá trình hoạt động của pin điện hóa Zn – Cu, nồng độ ion Zn2+ trong cốc đựng dungdịch ZnSO4 tăng dần, nồng độ ion Cu2+ trong cốc kia giảm dần. Đến một lúc nào đó, dòngelectron trong dây dẫn không còn, dòng điện tự ngắt - Để duy trì được dòng điện trong quá trình hoạt động của pin điện hóa, người ta dùng cầumuối. Vai trò của cầu muối là trung hòa điện tích của 2 dung dịch: các ion dương Na+ hoặc K+và Zn2+ di chuyển qua cầu muối đến cốc đựng dung dịch CuSO4. Ngược lại , các ion âmSO42- hoặc NO3- di chuyển qua cầu muối đến dung dịch ZnSO4 - Ở mạch ngoài (dây dẫn), dòng electron đi từ cực Zn sang cực Cu còn dòng điện đi từ cực Cusang cực Zn. Vì thế điện cực Zn được gọi là anot (nơi xảy ra sự oxi hóa), điện cực Cu được gọilà catot (nơi xảy ra sự khử).

Vậy trong pin điện hóa, anot là cực âm còn catot là cực dương - Phương trình hóa học của phản ứng xảy ra trong pin điện hóa Zn – Cu: quy tắc α

Cu2+ + Zn → Zn2+ + Cu

c) Kết luận: - Có sự biến đổi nồng độ của các ion Cu2+ và Zn2+ trong quá trình hoạt động của pin - Năng lượng của phản ứng oxi hóa – khử trong pin điện hóa đã sinh ra dòng điện một chiều - Những yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động của pin điện hóa như: nhiệt độ, nồng độ của ionkim loại, bản chất của kim loại làm điện cực III – THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI 1. Điện cực hiđro chuẩn Để có thể so sánh thế điện cực giữa hai cặp oxi hóa – khử, điều cần thiết trước hết là thế điệncực của chúng phải được so sánh với một tiêu chí nào đó. Có nghĩa là ta phải chọn cặp oxi hóa– khử để quy chiếu và quy ước nó có thế điện cực bằng 0. Cặp quy chiếu được chọn là cặp oxihóa – khử 2H+/H2

Cấu tạo của điện cực hiđro chuẩn: gồm một thanh platin (Pt) được đặt trong một dung dịch axitcó nồng độ ion H+ là 1M (pH = 0). Bề mặt điện cực hấp thụ khi hiđro, được thổi liên tục vàodung 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

Quy ước rằng: thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn bằng 0,00 V ở mọi nhiệt độ, tức là:

Eo2H+/H = 0,00 V

2. Thế điện cực chuẩn của kim loại Ta dùng thế điện cực hiđro chuẩn Eo2H+/H2 để xác định thế điện cực chuẩn cho các cặp oxihóa – khử khác. Bằng cách nối cặp oxi hóa – khử Mn+/M chuẩn (cation Mn+ có nồng độ 1M,nhiệt độ 25oC) với cặp 2H+/H2 chuẩn. Thế điện cực chuẩn của kim loại cần đo được chấpnhận bằng suất điện động của pin tạo bởi điện cực hiđro chuẩn và điện cực chuẩn của kim loại cần đo. Có 2 trường hợp xảy ra với giá trị của thế điện cực chuẩn: - Thế điện cực chuẩn của cặp Mn+/M là số dương nếu khả năng oxi hóa của ion Mn+ trongnửa pin Mn+/M là mạnh hơn ion H+ trong nửa pin 2H+/H2 - Thế điện cực chuẩn của cặp Mn+/M là số âm nếu khả năng oxi hóa của ion Mn+ trong nửapin Mn+/M là yếu hơn ion H+ trong nửa pin 2H+/H2 Ví dụ

: Thế điện cực chuẩn của các cặp kim loại: EoZn2+/Zn = – 0,76 V ; EoAg+/Ag = + 0,80 V 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 điệncực chuẩn

Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại còn được gọi là

dãy thế oxi hóa – khử chuẩn của kimloại, hoặc

dãy thế khử chuẩncủa kim loại. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, người ta dùng tên dãy sao cho phù hợp 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 EoMn+/M càng lớn thì tính oxi hóa củacation Mn+ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại 2. Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử cũng là sự tìm hiểu về phản ứng đó trong điềukiện tự nhiên có xảy ra hay không. Có một số phương pháp xác định chiều của phản ứng oxihóa – khử: a) Phương pháp 1 (phương pháp định tính): - Kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn khử được cation kim loại củacặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn (nói cách khác, cation kim loại trong cặp oxihóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn có thể oxi hóa được kim loại trong cặp có thế điệncực chuẩn nhỏ hơn) - Ví dụ: ion Pb2+ có oxi hóa được Zn hay không trong phản ứng: Pb2+(dd) + Zn(r) → Pb(r) +Zn2+(dd) Nếu phản ứng hóa học trên xảy ra giữa 2 cặp oxi hóa – khử Pb2+/Pb và Zn2+/Zn, ta viết cáccặp oxi hóa – khử trên theo trình tự: cặp nào có giá trị Eo lớn hơn ở bên phải, cặp nào có giá trịEo nhỏ hơn ở bên trái. Ta có:

3 / 4

Dãy điện hóa của kim loại

Thứ bảy, 18 Tháng 12 2010 20:35 -

Theo quy tắc α: ion Pb2+ oxi hóa được Zn, sản phẩm là những chất oxi hóa (Zn2+) và chấtkhử (Pb) yếu hơn. Phản ứng trên có xảy ra

- Kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn âm khử được ion hiđro của dung dịchaxit (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)

b) Phương pháp 2 (phương pháp định lượng): Quay lại ví dụ ion Pb2+ có oxi hóa được Zn hay không trong phản ứng: Pb2+(dd) + Zn(r) →Pb(r) + Zn2+(dd). Phản ứng hóa học trên được tạo nên từ hai nửa phản ứng: - Nửa phản ứng oxi hóa: Zn → Zn2+ + 2e, ta có EoZn2+/Zn = -0,76 V - Nửa phản ứng khử: Pb2+ + 2e → Pb, ta có EoPb2+/Pb = -0,13 V Thế oxi hóa – khử của cả phản ứng (Eopư) được tính theo công thức: Eopư = EoPb2+/Pb –EoZn2+/Zn = -0,13 – (– 0,76) = +0,63 V Eo của phản ứng oxi hóa – khử là số dương (Eopư > 0), kết luận là phản ứng trên có xảy ra 3. Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hóa

Eopin = Eo(+) – Eo(-)

Ví dụ

: suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Cu là: Eopin = EoCu2+/Cu – EoZn2+/Zn =0,34 – (–0,76) = 1,10 V 4. Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử Ví dụ

: Biết suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Ag là 1,56 V và thế điện cực chuẩncủa cặp oxi hóa – khử Ag+/Ag là +0,80 V. Hãy xác định thế điện cực chuẩn của cặp Zn2+/ZnTa có Eopin = EoAg+/Ag – EoZn2+/Zn → EoZn2+/Zn = EoAg+/Ag – Eopin = +0,80 – 1,56 =–0,76 V Biên soạn Hồ Chí Tuấn - ĐH Y Hà Nội Nguồn Moon.vn

4 / 4