Phản ứng ôxy hóa khử và đòng điện

Chương VIII
Phản ứng ôxy hóa khử và dòng điện

Bài 5
Trạng thái cân bằng của phản ứng ôxy hóa
khử và pin điện
•
1. Pin điện
•
2. Nguyên nhân xuất hiện xuất điện động
•
3.Tính thuận nghịch trong hoạt động của pin điện
•
4. Phương trình Nersnt về sức điện động
•
5. Phương trình Nersnt về sức thế điện cực
•
6. Sự đo thế điện cực, điện cực chuẩn hidro
•
7. Dãy điện hóa và ý nghĩa.

1. Pin điện
•
Xét hai thí nghiệm :
•
Thí nghiệm 1 Cho mẫu kẽm tác dụng trực tiếp với
dung dịch CuSO
4

•

Kết quả: Bề mặt của thanh kẽm bị phủ một lớp bột Cu
màu đỏ, dung dịch nhạt màu dần.
•
Phương trình phản ứng:
•
Cu
2+
+ Zn  Cu + Zn
2+


Thí nghiệm 2
•
Dùng dụng cụ như hình vẽ:
•
Kết luận về hai thí nghiệm:
•
Giống :
•
Cùng có chung phản ứng: Cu
2+
+ Zn  Cu + Zn
2+

•
Khác nhau:
•
Trong pin điện quá trình ôxy hóa, khử xảy ra ở hai điện cực
khác nhau.
•

Trong pin điện xuất hiện dòng điện.
•
Như vậy, pin điện được hình thành bằng cách ghép 2 cặp ôxy
hóa – khử trong phản ứng ôxy hóa-khử.

Quy ước IUPAC về pin điện:
•
Điện cực đóng vai trò anot xếp
bên trái, điện cực đóng vai trò
catot xếp bên phải pin điện.
•
Ranh giới giữa hai pha lỏng và
rắn được kí hiệu bằng một vạch,
ranh giới giữu hai pha lỏng có cầu
muối được kí hiệu bằng vạch kép.
•
Suất điện động của pin E = E
C
–
E
A
= E
phải
– E
trái
•
Nếu E
pin
> 0, chiều dòng điện
trong pin cùng chiều với chiều quy

ước và ngược lại.
•
Sơ đồ pin:
Zn│Zn
2+
,H
2
O║Cu
2+
,H
2
O│Cu
(anot) (catot)

2.Nguyên nhân xuất hiện sức điện động
•
Do xuất hiện lớp điện kép trái dấu trên bề mặt mỗi thanh
kim loại, nơi tiếp xúc với dung dịch,lớp điện kép này
giống như một tụ điện tức là xuất hiện hiệu điện thế, và
độ lớn hiệu điện thế này phụ thuộc: Bản chất kim loại,
nồng độ ion kim loại (M
n+
) trong dung dịch.
•
Hiệu điện thế giữa hai lớp điện kép gọi là thế điện cực.
•
Thực nghiệm cho thấy: Thế điện cực càng lớn về giá trị
tuyệt đối thì cặp đó càng bị oxy hóa mạnh.
•
Sức điện động: Là hiệu số điện thế cực đại giữa hai điện

cực, khi mạch hở.

3.Tính thuận nghịch của pin điện
(hình VIII.2 Trang 232)
•
Sức điện động của pin được xác định bằng phương pháp
mắc xung đối một pin điện với một nguồn điện có biến trỏ
C.
•
Tính thuận nghịch của pin được thể hiện bằng phản ứng
thuận nghịch trong pin điện:
•
Cu
2+
+ Zn  Cu + Zn
2+


4.Phương trình Nersnt về sức điện động
•
Xét phản ứng tổng quát xảy ra trong pin điện:
•
aOX1 + bKH2  cKH1 + dOX2
•
Xuất phát từ phương trình đẳng nhiệt Van Hôp:
•
(*)
•
Khi pin làm việc trong điều kiện thuận nghịch nhiệt động, công cực
đại do pin sinh ra

•
(**)
•
Trong đó, n là số electron trao đổi, F là hằng số Faradei = 96500 C
•
Trong điều kiện chuẩn
•
(***)
•
Thay (**) và (***) vào (*) ta được:
•
Khi chuyển sang logarit thập phân ta được
•
Khi hệ đạt trạng thái cân bằng: E=0
0
1 2
2 1
( ) ( x )
ln
( ) ( x )
c d
b a
Kh O
G G RT
Kh O
∆ = ∆ +
0 0
G nFE∆ = −
0
1 2

2 1
( ) ( x )
ln
( ) ( x )
c d
b a
Kh ORT
E E
nF Kh O
= −
0
1 2
2 1
( ) ( x )0,059
lg
( ) ( x )
c d
b a
Kh O
E E
n Kh O
= −
0
0,059
lgE K
n
=
'
axm
A G nFE= −∆ =

5. Phương trình Nersnt về thế điện cực
•
. Đối với một cặp ôxy hóa- khử :
•
Ox + ne  Kh
•
Phương trình Nernst về thế điện cực có dạng:
•

(*)
•
Trong dung dịch loãng có thể thay hoạt độ bằng nồng độ.
•
(**)
•
Từ đó ta có thể tính sức điện động của pin theo phương trình Nersnt
0
0,059 (ox)
lg
(kh)n
ϕ ϕ
= +
0
0,059 [ox]
lg
[kh]n
ϕ ϕ
= +

6.Sự đo thế điện cực , điện cực chuẩn
hidro
•
Thế điện cực chuẩn hidro:
•
Xác định thế điện cực bằng cách thiết lập một
pin điện hợp bởi điện cực cần khảo sát và điện
cực chuẩn hidro, quy ước:
•
Điện cực chuẩn hidro có E
0
= 0,00V đặt bên trái,
quy ước là anot.
•
Điện cực cần so sánh đặt bên phải, quy ước là
catot
•
E
0
= E
C
0
– E
A
0
= E
phải
0
– E
trái

0
= E
0
so sánh
•
Ví dụ: Xác định thế điện cực chuẩn của Zn
2+
/Zn

7.Dãy điện hóa (dãy hoạt động hóa học) và ý
nghĩa.
•
Dãy điện hóa là một bảng xếp theo thứ tự tăng dần thế
điện cực của các kim loại.
•
- Ý nghĩa: Dự đoán chiều của phản ứng ôxy hóa – khử,
tính sức điện động của pin, hằng số cân bằng của phản
ứng ôxy hóa khử và tiên đoán phản ứng ưu tiên trong thứ
tự điện phân.
•
Tiết dạy đến đây là kết thúc, xin chân thành cảm ơn quý
thầy cô và các bạn sinh viên!