Giáo án điện tử hóa học: Hóa đại cương_A1 docx

CHƯƠNG 8: ĐIỆN HOÁ HỌC
CHƯƠNG 8: ĐIỆN HOÁ HỌC
8.1Phản ứng oxi hóa- khử (Oxid hóa - khử)
8.1Phản ứng oxi hóa- khử (Oxid hóa - khử)
Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng trong đó nguyên tử hay
Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng trong đó nguyên tử hay
ion này nhường điện tử cho nguyên tử hay ion khác.
ion này nhường điện tử cho nguyên tử hay ion khác.
Chất oxi hóa Chất oxi hóa là chất nhận điện tử được hay là
Chất oxi hóa Chất oxi hóa là chất nhận điện tử được hay là
chất có số oxi hóa giảm sau phản ứng. Chất oxi hóa sau
chất có số oxi hóa giảm sau phản ứng. Chất oxi hóa sau
khi nhận điện tử sẽ tạo thành chất khử tương ứng (chất khử
khi nhận điện tử sẽ tạo thành chất khử tương ứng (chất khử
liên hợp). Do đó, chất oxi hóa còn được gọi là chất bị khử.
liên hợp). Do đó, chất oxi hóa còn được gọi là chất bị khử.
Chất khử:
Chất khử:
Fe -3e Fe
Fe -3e Fe
3+
3+
(quá trình oxi hoá)
(quá trình oxi hoá)
Chất oxi hoá:
Chất oxi hoá:
Cu
Cu
2+

2+
+2e Cu (quá trình khử)
+2e Cu (quá trình khử)






a)P
a)P
hương pháp cân bằng electron :
hương pháp cân bằng electron :
Các bước cân bằng:
Các bước cân bằng:
Bước 1: Viết sơ đồ phản ứng với các nguyên tố có sự
Bước 1: Viết sơ đồ phản ứng với các nguyên tố có sự
thay đổi số oxi hóa.
thay đổi số oxi hóa.
Bước 2: Viết các quá trình: khử (cho electron), oxi hóa
Bước 2: Viết các quá trình: khử (cho electron), oxi hóa
(nhận electron).
(nhận electron).
Bước 3: Cân bằng electron: nhân hệ số để:
Bước 3: Cân bằng electron: nhân hệ số để:
Tổng số electron cho = tổng số electron nhận.
Tổng số electron cho = tổng số electron nhận.
(tổng số oxi hóa giảm = tổng số oxi hóa tăng).
(tổng số oxi hóa giảm = tổng số oxi hóa tăng).
Bước 4: Cân bằng nguyên tố không thay đổi số oxi hoá

Bước 4: Cân bằng nguyên tố không thay đổi số oxi hoá
(thường theo thứ tự:
(thường theo thứ tự:
kim loại (ion dương):
kim loại (ion dương):
gốc axit (ion âm).
gốc axit (ion âm).
môi trường (axit, bazơ).
môi trường (axit, bazơ).
nước (cân bằng
nước (cân bằng
H2O
H2O
để cân bằng hiđro).
để cân bằng hiđro).
Bước 5: Kiểm soát số nguyên tử oxi ở 2 vế (phải bằng
Bước 5: Kiểm soát số nguyên tử oxi ở 2 vế (phải bằng
nhau).
nhau).






vd:Fe0 → Fe
vd:Fe0 → Fe
3+
3+
+ 3e

+ 3e
1 x 2Fe0 → 2Fe
1 x 2Fe0 → 2Fe
3+
3+
+ 6e
+ 6e
3 x S
3 x S
6+
6+
+ 2e → S
+ 2e → S
6+
6+
2Fe + 6H
2Fe + 6H
2
2
SO4 → Fe
SO4 → Fe
2
2
(SO4)
(SO4)
3
3
+ 3SO
+ 3SO
2

2
+
+
6H
6H
2
2
O
O




b)Phương pháp cân bằng ion – electron
b)Phương pháp cân bằng ion – electron


Bước 1: Tách ion, xác định các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi và
Bước 1: Tách ion, xác định các nguyên tố có số oxi hóa thay đổi và
viết các nửa phản ứng oxi hóa – khử.
viết các nửa phản ứng oxi hóa – khử.
Bước 2: Cân bằng các bán phản ứng:
Bước 2: Cân bằng các bán phản ứng:
Cân bằng số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế:
Cân bằng số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế:
Bước 3: Cân bằng electron: nhân hệ số để
Bước 3: Cân bằng electron: nhân hệ số để
Bước 4: Cộng các nửa phản ứng ta có phương trình ion thu gọn.
Bước 4: Cộng các nửa phản ứng ta có phương trình ion thu gọn.

Bước 5: Để chuyển phương trình dạng ion thu gọn thành phương
Bước 5: Để chuyển phương trình dạng ion thu gọn thành phương
trình ion đầy đủ và phương trình phân tử cần cộng vào 2 vế
trình ion đầy đủ và phương trình phân tử cần cộng vào 2 vế
những lượng bằng nhau các cation hoặc anion để bù trừ điện
những lượng bằng nhau các cation hoặc anion để bù trừ điện
tích.
tích.




Bước 1: Cu + H+ + NO3- → Cu2+ + 2NO3- + NO + H2O
Bước 1: Cu + H+ + NO3- → Cu2+ + 2NO3- + NO + H2O
Cu0 → Cu2+
Cu0 → Cu2+
NO3- → NO
NO3- → NO
Bước 2: Cân bằng nguyên tố:
Bước 2: Cân bằng nguyên tố:
Cu → Cu2+
Cu → Cu2+
NO3- + 4H+ → NO + 2H2O
NO3- + 4H+ → NO + 2H2O
Cân bằng điện tích
Cân bằng điện tích
Cu → Cu2+ + 2e
Cu → Cu2+ + 2e
NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O

NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O
Bước 3: Cân bằng electron:
Bước 3: Cân bằng electron:


3 x Cu → Cu2+ + 2e
3 x Cu → Cu2+ + 2e


2 x NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O
2 x NO3- + 4H+ + 3e → NO + 2H2O
Bước 4: 3Cu + 2NO3- + 8H+ → 3Cu2+ + 2NO + 4H2O
Bước 4: 3Cu + 2NO3- + 8H+ → 3Cu2+ + 2NO + 4H2O
Bước 5: 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO +4H2O
Bước 5: 3Cu + 8HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO +4H2O






8.2.1 Lớp điện tích kép
8.2.1 Lớp điện tích kép
Nhúng 1 tấm kim loại vào nước => kim loại tích
Nhúng 1 tấm kim loại vào nước => kim loại tích
điện âm và nước tích điện dương:
điện âm và nước tích điện dương:
M (r) +mH
M (r) +mH
2

2
O -ne M
O -ne M
n+
n+
.mH
.mH
2
2
O
O
=> giữa bề mặt KL và dung dịch xuất hiện một
=> giữa bề mặt KL và dung dịch xuất hiện một
lớp điện tích kép với một thế hiệu xác định. độ
lớp điện tích kép với một thế hiệu xác định. độ
lớn của thế hiệu phụ thuộc vào bản chất KL.
lớn của thế hiệu phụ thuộc vào bản chất KL.


8.2.2Điện cực
8.2.2Điện cực
Kn:điện cực là một hệ gồm một thanh dẫn điện (bằng kim loại
Kn:điện cực là một hệ gồm một thanh dẫn điện (bằng kim loại
hoặc phi kim như than chì…) tiếp xúc với dung dịch chứa một
hoặc phi kim như than chì…) tiếp xúc với dung dịch chứa một
cặp oxi hoá - khử liên hợp.
cặp oxi hoá - khử liên hợp.
Có 4 loại điện cực thường gặp:
Có 4 loại điện cực thường gặp:
1.Điện cực kim loại – ion kim loại

1.Điện cực kim loại – ion kim loại
: gồm một kim loại tiếp xúc
: gồm một kim loại tiếp xúc
với ion của nó trong dung dịch. Ví dụ thanh kẽm tiếp xúc dung
với ion của nó trong dung dịch. Ví dụ thanh kẽm tiếp xúc dung
dịch ZnSO4.
dịch ZnSO4.


Zn -2e Zn
Zn -2e Zn
2+
2+
(dd)
(dd)
Điện cực kẽm thường được kí hiệu tắt: Zn(r)/Zn(dd)
Điện cực kẽm thường được kí hiệu tắt: Zn(r)/Zn(dd)
2)Điện cực khí – ion
2)Điện cực khí – ion
: đó là loại điện cực trong đó chất khí tiếp
: đó là loại điện cực trong đó chất khí tiếp
xúc với cation của nó. Ví dụ điện cực hidro: khí hidro H
xúc với cation của nó. Ví dụ điện cực hidro: khí hidro H
2
2
tiếp
tiếp
xúc với cation H+
xúc với cation H+
2H

2H
+
+
(dd)+ 2e H
(dd)+ 2e H
2
2
Điện cực hidro thường được kí hiệu tắt: H
Điện cực hidro thường được kí hiệu tắt: H
+
+
(dd)/H
(dd)/H
2
2
(k)/Pt(r)
(k)/Pt(r)


Điện cực hidro thường được kí hiệu tắt: H
Điện cực hidro thường được kí hiệu tắt: H
+
+
(dd)/H
(dd)/H
2
2
(k)/Pt(r)
(k)/Pt(r)
Điện cực tiêu chuẩn của hidro được quy ước là có điện thế bằng 0,

Điện cực tiêu chuẩn của hidro được quy ước là có điện thế bằng 0,
và dùng làm chuẩn để so sánh khi đo điện thế các điện cực khác.
và dùng làm chuẩn để so sánh khi đo điện thế các điện cực khác.
3)Điện cực kim loại - muối không tan của kim loại
3)Điện cực kim loại - muối không tan của kim loại
:
:
Điện cực bạc - bạc clorua, kim loại (Ag) tiếp xúc với muối không
Điện cực bạc - bạc clorua, kim loại (Ag) tiếp xúc với muối không
tan của nó (AgCl) đồng thời cũng tiếp xúc với dung dịch chứa
tan của nó (AgCl) đồng thời cũng tiếp xúc với dung dịch chứa
muối tan cùng anion (Cl-).
muối tan cùng anion (Cl-).
AgCl(r) + 1e Ag +Cl
AgCl(r) + 1e Ag +Cl
-
-
Điện cực bạc được kí hiệu tắt: Cl-(dd)/AgCl(r)/Ag(r)
Điện cực bạc được kí hiệu tắt: Cl-(dd)/AgCl(r)/Ag(r)
Cũng thuộc loại điện cực của kim loại - muối không tan còn có
Cũng thuộc loại điện cực của kim loại - muối không tan còn có
điện cực calomen.
điện cực calomen.


4)Điện cực trơ
4)Điện cực trơ
: gồm một thanh kim
: gồm một thanh kim
loại trơ tiếp xúc với dung dịch chất ở

loại trơ tiếp xúc với dung dịch chất ở
hai trạng thái oxi hoá - khử khác nhau,
hai trạng thái oxi hoá - khử khác nhau,
ví dụ dung dịch chứa hỗn hợp hai
ví dụ dung dịch chứa hỗn hợp hai
muối FeCl
muối FeCl
3
3
với FeCl
với FeCl
2
2
.
.
Fe
Fe
2+
+1e Fe
+1e Fe
3+
3+


8.3 PIN ĐIỆN HÓA
8.3 PIN ĐIỆN HÓA
1) Hiện tượng: Kim điện kế lệch xuất hiện dòng điện một
1) Hiện tượng: Kim điện kế lệch xuất hiện dòng điện một
chiều từ lá Cu (cực dương) sang lá Zn (cực âm). Chiều di
chiều từ lá Cu (cực dương) sang lá Zn (cực âm). Chiều di

chuyển của dòng electron ở mạch ngoài thì ngược lại, từ lá
chuyển của dòng electron ở mạch ngoài thì ngược lại, từ lá
Zn sang lá Cu.
Zn sang lá Cu.






Zn
Zn
2+
(aq)
2e
-
e
-
I
Cu
Cu
2+
(aq)
2e
-
e
-
I
2- Cơ chế phát sinh dòng điện
trong pin điện hóa :


Cực Zn: cực âm(hay anot)
Zn → Zn
2+
+ 2e (chất khử)
sự oxi hóa nguyên tử Zn

Cực Cu: cực dương (hay catot)
Cu
2+
+ 2e → Cu (chất oxi hoá )
sự khử ion Cu
2+
+ Điện cực kẽm mòn dần.
+ Có lớp kim loại bám trên cực
Cu.
+ Màu xanh cốc đựng CuSO
4
nhạt
dần.

Cầu muối: làm cân bằng điện
tích trong dung dịch.


Phương trình tổng quát:
Phương trình tổng quát:
Zn + Cu
Zn + Cu
2+

2+
Cu + Zn
Cu + Zn
2+
2+

Như vậy:trong pin điện hoá Zn-Cu xảy ra phản ứng oxi
Như vậy:trong pin điện hoá Zn-Cu xảy ra phản ứng oxi
hoá khử:Cu
hoá khử:Cu
2+
2+
(chất oxi hoá mạnh hơn) đã oxi hoá Zn (chất
(chất oxi hoá mạnh hơn) đã oxi hoá Zn (chất
khử mạnh hơn) thành Zn
khử mạnh hơn) thành Zn
2+
2+
(chất oxi hoá yếu hơn) và Cu
(chất oxi hoá yếu hơn) và Cu
(chất khử yếu hơn) và năng lượng hoá học của phản ứng
(chất khử yếu hơn) và năng lượng hoá học của phản ứng
oxi hoá - khử đã chuyển hoá thành điện năng.
oxi hoá - khử đã chuyển hoá thành điện năng.

Lưu ý:chiều dòng điện là chiều từ cực dương(Cu) qua cực
Lưu ý:chiều dòng điện là chiều từ cực dương(Cu) qua cực
âm(Zn)
âm(Zn)

8.4.1
8.4.1
Đại lượng thế điện cực tiêu
Đại lượng thế điện cực tiêu
chuẩn:
chuẩn:

Để xác định giá trị tuyệt đối của thế điện
Để xác định giá trị tuyệt đối của thế điện
một điện cực, người ta chọn một điện cực nào
một điện cực, người ta chọn một điện cực nào
đó để làm chuẩn so sánh và gán cho nó một
đó để làm chuẩn so sánh và gán cho nó một
giá trị điện thế nhất định.
giá trị điện thế nhất định.


Trong một điện cực bất kì được gọi là tiêu
Trong một điện cực bất kì được gọi là tiêu
chuẩn phải có những yếu tố sau:
chuẩn phải có những yếu tố sau:

Hoạt động của tác chất và sản phẩm phải bằng đơn vị 1M
Hoạt động của tác chất và sản phẩm phải bằng đơn vị 1M

Áp suất khí = 1atm
Áp suất khí = 1atm

Nhiệt độ : 25

Nhiệt độ : 25
o
o
C
C


Điện cực chuẩn so sánh được quốc tế chấp
Điện cực chuẩn so sánh được quốc tế chấp
nhận là “
nhận là “
điện cực hidro tiêu chuẩn”
điện cực hidro tiêu chuẩn”
Điện cực hidro tiêu chuẩn được
biểu thị:
Pt(r) | H
2
(k, 1 atm) | H
+
(1M) khi là anot
Hay H
+
( 1M) | H
2
(k, 1 atm) | Pt(r) khi là
catot
Điện thế này gán giá trị = 0 volt E
0
2H+/H2
= 0


Thế điện cực
Thế điện cực
tiêu chuẩn của
tiêu chuẩn của
một cặp oxi hóa-
một cặp oxi hóa-
khử liên hợp
khử liên hợp
chính là sức điện
chính là sức điện
động của một pin
động của một pin
ráp bởi điện cực
ráp bởi điện cực
tiêu chuẩn của cặp
tiêu chuẩn của cặp
oxi hóa – khử liên
oxi hóa – khử liên
hợp đó với điện
hợp đó với điện
cực hidro tiêu
cực hidro tiêu
chuẩn
chuẩn




VD1: Xác định thế điện cực chuẩn của điên cực đồng khi
VD1: Xác định thế điện cực chuẩn của điên cực đồng khi
ghép với điện cực hidro tiêu chuẩn thành 1 pin. Biết sức
ghép với điện cực hidro tiêu chuẩn thành 1 pin. Biết sức
điện động của pin là 0,34V ở 250C và mạch ngoài electron
điện động của pin là 0,34V ở 250C và mạch ngoài electron
xuất phát từ cực hidro đến cực đồng.
xuất phát từ cực hidro đến cực đồng.


(Sức điện động của pin là hiệu điện thế điện
cực dương và điện cực âm)


Ta có : anot là điện cực hidro
Theo sơ đồ nguyên tố Galvani trên:
Pt(r) | H
2
(k) | H
+
(1M) || Cu
2+
(1M) | Cu(r)
Anot : H
2
– 2e -> 2H
+
E
0
= 0

Catot : Cu
2+
+ 2e -> Cu(r) E
0
= ?
Pin : H
2
(k) + Cu
2+
-> 2H
+
+ Cu(r) E
0
= 0,34V
Vì E
0
pin
= E
0
anot
+ E
0
catot
Nên E
0
Cu2+/Cu
= E
0
pin
- E

0
hidro

= 0,34 - 0
= 0,34V
 Điện cực khử tiêu chuẩn của đồng là + 0,34V




Tại anot xảy ra quá trình ôxi hóa, điện thế của
Tại anot xảy ra quá trình ôxi hóa, điện thế của
điện cực của anot gọi là thế oxi hóa. Như vậy,
điện cực của anot gọi là thế oxi hóa. Như vậy,
điện thế sinh ra bởi điện cực catot được gọi là
điện thế sinh ra bởi điện cực catot được gọi là
thế khử
thế khử


VD2: : 1 pin tạo thành từ 1 điện cực hidro chuẩn
VD2: : 1 pin tạo thành từ 1 điện cực hidro chuẩn
với 1 điện cực kẽm chuẩn, sức điện động của
với 1 điện cực kẽm chuẩn, sức điện động của
pin là 0,76V ( ở 250C). biết catot là điện cực
pin là 0,76V ( ở 250C). biết catot là điện cực
hidro. Hãy xác định thế điện cực khử tiêu
hidro. Hãy xác định thế điện cực khử tiêu
chuẩn của điện cực kẽm.
chuẩn của điện cực kẽm.

Zn(r) | Zn
2+
(1M) || H
+
(1M) | H
2
(k, 1 atm) | Pt(r)
E
0
Zn
= E
0
pin
+ E
0
hidro
= 0,76
Zn(r) - 2e
-
-> Zn
2+


Zn(r) | Zn
2+
(1M) || H
+
(1M) | H
2
(k, 1 atm) | Pt(r)

E
0
Zn
= E
0
pin
+ E
0
hidro
= 0,76
Zn(r) - 2e
-
-> Zn
2+
Như vậy, thế điện cực oxi hóa của điện cực kẽm = +0,76V. Để thu được
thế khử cần đổi dấu; do đó ta có thể khử chuẩn của điện cực kẽm :
Zn
2+
+ 2e
-
-> Zn(r) E
0
Zn2+/Zn
= 0.76V


Ngày nay người ta còn sử dụng điện cực calomen thay thế cho điện
cực hidro để tăng sự chính xác. Điện cực này được chế tạo từ kim
loại thủy ngân trộn calomen Hg
2

Cl
2
trong dung dịch KCl
Hg
2
Cl
2
(r) + 2e
-
 2Hg(l) + Cl
-
(k)
So với điện
cực hidro tiêu
chuẩn, thé
khử tiêu
chuẩn của
điện cực
calomen =
+0,268V.


8.4.2
8.4.2
Ý nghĩa của đại lượng thế
Ý nghĩa của đại lượng thế
điện cực khử tiêu chuẩn:
điện cực khử tiêu chuẩn:
1/
1/

Thế điện cực khử càng lớn thì tính oxi hóa của
Thế điện cực khử càng lớn thì tính oxi hóa của
dạng oxi hóa càng mạnh, tính khử của dạng
dạng oxi hóa càng mạnh, tính khử của dạng
khử liên hợp càng yếu.
khử liên hợp càng yếu.
2/
2/
Dự đoán khả năng tự diễn biến của 1 phản ứng
Dự đoán khả năng tự diễn biến của 1 phản ứng
oxi hóa khử trong dung dịch ở điều kiện tiêu
oxi hóa khử trong dung dịch ở điều kiện tiêu
chuẩn.
chuẩn.


1/
1/
Thế điện cực khử càng lớn thì tính oxi hóa
Thế điện cực khử càng lớn thì tính oxi hóa
của dạng oxi hóa càng mạnh, tính khử của dạng
của dạng oxi hóa càng mạnh, tính khử của dạng
khử lien hợp càng yếu.
khử lien hợp càng yếu.
VD: Ta có;
Cu
2+
+ 2e
-
 Cu

0
+0,337V
Fe
3+
+ e
-
 Fe
2+
+0,771V

tính oxi hóa của ion Fe
3+
mạnh hơn tính oxi hóa của ion Cu
2+
Tính khử của kim loại đồng mạnh hơn tính khử của ion Fe
2+


2/
2/
Dự đoán khả năng tự diễn biến của 1 phản
Dự đoán khả năng tự diễn biến của 1 phản
ứng oxi hóa khử trong dung dịch ở điều kiện tiêu
ứng oxi hóa khử trong dung dịch ở điều kiện tiêu
chuẩn.
chuẩn.
VD: phản ứng dưới đây có tự diễn biến hay không, biết tất cả các
chất ở trạng thái chuẩn
Fe
3+

+ Cu  Fe
2+
+Cu
2+
Vì E
0
dương  phản ứng tự diễn biến ở điều kiện tiêu chuẩn.
Hay nói cách khác là: Dạng oxi hóa của cặp có thế điện cực lớn
hơn có khả năng chiếm electron của dạng khử có cặp thế khử nhỏ hơn.
Fe
3+
+ e  Fe
2+
E
0
= +0,771V
Cu - 2e  Cu
2+
E
0
= -0,337V
2Fe
3+
+ Cu  2Fe
2+
+Cu
2+
E
0
= +0,434V