CHUYÊN ĐỀ BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI QUỐC GIA: ĐIỆN HÓA HỌC

ĐIỆN HÓA HỌC
(Electrochemistry)
Bài 1
Để định lượng các ion kim loại trong bể nước thải của một nhà máy, người ta thực hiện theo qui
trình sau ở 298 K:
Bước 1) Lấy tại 5 địa điểm khác nhau trong bể nước thải, mỗi địa điểm lấy 10-mL mẫu và trộn
đều các mẫu trong cốc 100-mL, khuấy trong 5 phút bằng khuấy từ.
Bước 2) Lấy 10-mL mẫu ở trong cốc 100-mL ở trên, thêm 142 mg Na 2SO4 và khuấy đều, sau đó
chuyển sang bình đo chứa 3 điện cực như Hình 1a. Trong bình này, điện cực làm việc là dây Pt,
điện cực so sánh là Ag/AgCl (KCl 3M) và điện cực đối là bản Pt.
Bước 3) Các điện cực này được nối với máy đo, và đặt thế cố định là –0.50 V so với Ag/AgCl
trong 14 phút như Hình 1b (đường nằm ngang). Giả thiết rằng 14 phút là đủ để các phản ứng
điện hố xảy ra hồn tồn.

Hình 1. a) Thiết kế bình đo điện hố; 1) Điện cực làm việc (dây Pt), 2) điện cực so sánh
(Ag/AgCl, KCl 3M), 3) điện cực đối (bản Pt), 4) nắp đậy, 5) bình đo, 6) 10-mL dung dịch mẫu.
b) Thế của điện cực làm việc thay đổi theo thời gian. Trục-y: potential/V vs Ag/AgCl (Thế/V so
với Ag/AgCl), trục-x: time/min (thời gian/phút)
Bước 4) Hệ điện cực này được lấy ra, rồi rửa bằng nước cất và đặt vào một bình đo khác chứa
10-mL dung dịch H2SO4 0.1 M, và quét thế từ –0.50 đến +0.50 V trong 2 phút, như Hình 1b
(đường dốc xuống). Đường dòng – thế thu được ở bước này được cho trong Hình 2.

Hình 2. Dịng điện thu được khi quét thế của điện cực làm việc trong dung dịch H 2SO4 0.1 M sau
khi thế được giữ cố định ở –0.50 V trong 10-mL mẫu nước thải như Hình 1b (đường nằm
ngang). Trục-y: current/µA (dịng/µA), trục-x: potential/V vs Ag/AgCl (thế/V so với Ag/AgCl)


Bước 5) Lấy 10-mL mẫu khác từ bước 1, thực hiện lần lượt bước 2 và 3 tương tự như trên. Hệ
điện cực được rửa bằng nước cất và đặt vào 10-mL dung dịch H 2SO4 0.1M. Thế của điện cực làm
việc được giữ cố định ở +0.05 V trong 14 phút. Giả thiết rằng 14 phút là đủ để các phản ứng điện
hố xảy ra hồn tồn.

Bước 6) Sau khi thực hiện bước 5, dung dịch trong bình đo được đặt vào lị thích hợp để làm bay
hơi ở 1500C cho đến khi thu được chất rắn khô.
Bước 7) Thêm 5-mL dung dịch EDTA (H4Y, ethylenediaminetetraacetic acid) (Hình 3) vào chất
rắn thu được ở bước 6 và lắc cho đến tan hoàn toàn. Biết rằng 1-mL dung dịch EDTA tương
đương với 3.85 mg/mL BaCO3. Sau đó, điều chỉnh pH của dung dịch đến 10.0. Lượng dư EDTA
được chuẩn độ với dung dịch chuẩn Ni(NO 3)2 0.0010 M thì hết 95.60 mL dung dịch Ni(NO 3)2 để
đến điểm cuối chuẩn độ.

Hình 3. Cấu trúc của phân tử EDTA (H4Y)
- Trong nước bão hòa với H2S, nồng độ cân bằng của [H2S] là 0,1 M

1. Phát biểu nào sau đây là đúng cho peak 1 và peak 2 trong Hình 2:
a. Peak 1: sự khử của Ni / Peak 2: sự khử của Cu
b. Peak 1: sự khử của Cu / Peak 2: sự khử của Ni
c. Peak 1: sự khử của Ni / Peak 2: sự oxi hoá của Cu
d. Peak 1: sự oxi hoá của Ni / Peak 2: sự oxi hoá của Cu
e. Peak 1: sự oxi hoá của Cu / Peak 2: sự oxi hoá của Ni
2. Quá trình nào xảy ra nếu ở giai đoạn thứ nhất (đường nằm ngang) trong Hình 1b thì thế được
áp là –1.2 V thay cho –0.5 V
a. Giải phóng NO
b. Giải phóng NO2
c. Giải phóng khí Nitơ
d. Giải phóng khí Oxy
e. Giải phóng khí Hidro
3. Tính tốc độ qt của phép đo thu được kết quả ở Hình 2 theo mV/s ở 298 K


Thế của pin có sơ đồ như sau đo được là 0.437 V.
Pt, H2 (0.92 bar)|HCl(1.50×10−2M),AgCl(sat)|Ag
4. Tính giá trị thế điện cực chuẩn (V) của nửa phản ứng AgCl(s) + e− → Ag(s) + Cl−(aq) ở 298 K

5. Mục đích chính của bước 5 trong qui trình phân tích là gì?
a. Phủ dây Pt bằng màng hợp kim Ni–Cu
b. Phủ dây Pt bằng màng Ni
c. Q trình hồ tan điện hoá cả Cu và Ni từ dây Pt phủ Cu–Ni vào dung dịch.
d. Q trình hồ tan điện hố Cu từ dây Pt phủ Cu–Ni vào dung dịch.
e. Quá trình hồ tan điện hố Ni từ dây Pt phủ Cu–Ni vào dung dịch
6. Viết các phương trình ion cho phản ứng tạo phức và phản chuẩn độ ngược ở bước 7
7. Tính nồng độ Ni2+ theo mg/L trong nước thải của nhà máy
8. Tính giá trị pH tối thiểu cần thiết lập cho dung dịch thu được ở bước 5 để khi sục khí H 2S vào
dung dịch đến bão hồ thì bắt đầu kết tủa ion Ni 2+ trong dung dịch. Nếu bạn không giải được câu
7, dùng nồng độ Ni2+ 20 mg/L cho câu này
Giải
1. d
2. e
3. Chúng ta có thể tính tốn tốc độ qt bằng cách sử dụng độ dốc của Hình 1b (đường dốc
xuống)

4.

5. e
6.


7.

8.


Bài 2
Flavonoid là hợp chất tự nhiên có trong nhiều hoa quả và rau. Flavonoid được sử dụng phổ biến

trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta bởi vì chúng có đặc tính chống oxy hóa và chống ung
thư. Rutin là một chất thuộc nhóm flavonoid bao gồm flavonol quercetin và disaccharide
rutinose

Nó có độc tính rất thấp đối với sức khỏe con người và người ta biết rằng rutin có thể cung cấp
các electron cho các gốc tự do phản ứng để tạo ra các cấu trúc ổn định và khỏe mạnh hơn. Rutin
còn được gọi là vitamin P, do tính thẩm thấu của nó. Rutin là một vật liệu hoạt động điện hóa và
nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu rộng rãi hành vi điện hóa của nó bằng cách sử dụng các kỹ
thuật điện hóa


Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) của rutin ở 25°C đã được thí nghiệm bằng cách sử dụng
một điện cực carbon thủy tinh làm điện cực làm việc, một điện cực calomel bão hòa (SCE) làm
điện cực so sánh và một dây Pt tương ứng làm điện cực đối. Trong nghiên cứu này, dữ liệu CV
cho dung dịch rutin 1,0×10−4 mol/dm3 ở các giá trị pH thu được bằng cách quét điện thế từ 0,00
đến 0,80 V ở tốc độ quét 100 mV/s. Các giá trị điện thế anot (E pa), điện thế catot (Epc), dòng điện
anot (Ipa) và dòng điện catot (Ipc) thu được từ phương pháp CV phụ thuộc vào độ pH, được trình
bày trong Bảng sau

1. Tính thời gian để thu được dữ liệu cho mỗi thơng số từ phương pháp CV?
2. Tính số electron chuyển cho phản ứng điện hoá của rutin bao gồm 2H+
3. Đề xuất cơ chế oxi hoá khử điện hoá đối với rutin
4. Phản ứng xảy ra ở điện cực SCE:
SCE chứa dung dịch KCl bão hòa được chuẩn bị bằng cách hòa tan 342g KCl trong 1,0 L dung
dịch nước. Điện thế của SCE thay đổi như thế nào (giảm hoặc tăng) trong trường hợp KCl 1,0
M.
Để xác định lượng rutin trong một viên vitamin P, các quy trình sau đây đã được sử dụng
i. Hòa tan viên nén vitamin P có khối lượng 500 mg trong nước khử ion trong bình định mức 500
mL, điều chỉnh pH đến 2,0. Lấy 10 mL của dung dịch này cho vào một tế bào ba điện cực. Giá
trị CV thu được với pick dịng điện anot (Ipa) là 2,26 µA.

ii. Dung dịch khơng có rutin đã được chuẩn bị ở pH 2,0. Sau khi đặt tất cả các điện cực vào dung
dịch này, thông số Ipa đã được đo ba lần bằng cách làm sạch điện cực bằng nước khử ion cho mỗi
lần đo. Các giá trị Ipa tương ứng thu được là 0,16, 0,11 và 0,18 µA.
iii. Dung dịch chuẩn rutin được pha với các nồng độ 1.0, 5.0, 10.0, 20.0, 30.0 và 50.0 mM và giá
trị Ipa của phép đo CV được trình bày trong Bảng sau:

Lưu ý rằng tất cả các thông số của phương pháp CV đã thu được bằng cách sử dụng cùng một
điện cực làm việc ngồi thí nghiệm này
5. Vẽ đường chuẩn cho phương pháp xác định rutin
6. Viết phương trình tốn học cho đường chuẩn
7. Tính phần trăm khối lượng rutin trong viên vitamin P


8. Tính độ nhạy hiệu chỉnh và giới hạn phát hiện (LOD) của phương pháp này biết tỷ lệ tín hiệu
nhiễu (k) là 3.0, Sblank là độ lệch chuẩn, m là độ nhạy hiệu chỉnh
Giới hạn phát hiện:

Giải
1.

2.

3.


4.

5.

6.

7.

8.


Bài 3
Dữ liệu:

Hydrogen phân tử (H2) có thể được sử dụng để thay thế cho nhiên liệu phát thải carbon dioxide.
Do vậy, việc giảm chi phí và tác động tới mơi trường của q trình sản xuất này là một thách
thức lớn. Việc sản xuất hydrogen bởi phân tách nước là một công nghệ đầy triển vọng.
1. Viết và cân bằng phương trình của phản ứng tách nước cho 1 mol nước lỏng
2. Chỉ sử dụng các số liệu nhiệt động được cung cấp, hãy chứng minh bằng số xem phản ứng
phân tách nước có thuận lợi hay khơng thuận lợi về mặt nhiệt động ở 298 K
Việc phân tách nước có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp điện phân với hai
điện cực trong bể chứa dung dịch axit, được kết nối với một nguồn điện (Hình 1). Bong bóng khí
được hình thành ở cả hai điện cực.


3. Viết và cân bằng các nửa phản ứng điện hóa xảy ra ở mỗi điện cực
4. Chỉ sử dụng dữ liệu nhiệt động được cung cấp (hoặc từ câu hỏi 2), rút ra điều kiện về hiệu
điện thế ΔEapplied được áp vào hai điện cực, so sánh với giá trị ΔE th để quá trình điện phân là thuận
lợi về mặt nhiệt động ở 298 K, tất cả các chất phản ứng và sản phẩm đều ở trạng thái chuẩn.
(Nếu thí sinh khơng tính được ΔEth, sử dụng giá trị 1.200 V cho các phần tiếp theo của bài này)
Trong thực tế, cần có một điện áp cao hơn để có thể quan sát thấy sự phân tách nước. Đối với
cathode Pt, điện áp tối thiểu cần thiết để quan sát được sự phân tách nước, ΔE min phụ thuộc vào
bản chất của anode, như được hiển thị trong bảng dưới đây:

Sự khác nhau giữa ΔEmin và ΔEth là nguyên nhân tổn thất điện của thiết bị.

5. Viết biểu thức tính hiệu suất năng lượng của thiết bị η elec (phần năng lượng được sử dụng để
tách nước), là một hàm của ΔE th và ΔEmin. Giả thiết rằng cường độ dịng điện I là như nhau. Tính
hiệu suất năng lượng điện phân nước khi sử dụng cathode Pt và anode Fe 2O3. Hãy cho biết anode
nào là hiệu quả nhất (Nếu thí sinh khơng tính được η elec, sử dụng giá trị ηelec = 75% cho các phần
tiếp theo của bài này)
Một cách khác để điện phân nước là quá trình tách nước bằng quang xúc tác trực tiếp. Quá trình
này sử dụng một chất bán dẫn, trong q trình tách nước, chất này được hoạt hóa bằng cách hấp
thụ ánh sáng.


6. Ước tính thơng lượng photon tích lũy có thể hoạt hóa các chất bán dẫn sau: TiO2, CdS, Si.
Nêu rõ cách tính tốn bằng biểu thức và đơn vị được sử dụng để tính tốn.
Việc hoạt hóa chất bán dẫn sẽ làm thay đổi điện thế bề mặt, do đó một chất bán dẫn dưới tác
dụng của ánh sáng có thể được coi là hai điện cực có thế khác nhau.


7. Sử dụng dữ liệu ở Hình 2, hãy chọn (các) chất bán dẫn mà khi được hoạt hóa, có thể đóng cả
hai vai trị của cả anode và cathode cho phản ứng tách nước

8. Hãy chỉ ra chất bán dẫn, được sử dụng như cả anode và cathod, được mong đợi sẽ là hiệu quả
nhất cho quá trình phân tách nước khi được chiếu ánh sáng mặt trời.
Một nghiên cứu gần đây cho thấy, H 2 và O2 thoát ra khi một chất bán dẫn được chiếu bằng ánh
sáng mặt trời nhân tạo ở T = 25 0C tại 1 atm. Sử dụng ánh sáng có cơng suất P = 1,0 kW.m -2 và
điện cực quang với bề mặt S = 16 mm 2, tạo ra V = 0,37 cm3 H2(g) sau khoảng thời gian Δt =1 giờ
phản ứng.
9. Tính hiệu suất năng lượng ηdirect của q trình chuyển hóa. (Nếu thí sinh khơng tính được η direct,
sử dụng giá trị ηdirect = 10% cho các phần tiếp theo của bài này)
Do vậy có thể so sánh hai cách thức chuyển hóa năng lượng mặt trời thành hydrogen: quang xúc
tác trực tiếp và quang-điện phân gián tiếp bằng cách kết hợp tấm pin quang điện với bình điện
phân. Hiệu suất tấm pin quang điện hiện nay trên thị trường khoảng ηpanel = 20%.

10. So sánh hiệu suất năng lượng của hai cách thức này, η direct và ηindirect khi sử dụng điện cực
Fe2O3 và Pt cho quá trình điện phân nước
Giải
1.
2.

3.

4.

5.


6.

7.

8. CdS
9.

10.


Bài 4
Các phương tiện vận tải hiện đại đa phần sử dụng nhiên liệu hóa thạch, hiệu suất lý thuyết của
động cơ nhiệt thực tế bị giới hạn và thường dao động từ 20 đến 40%
1. Lựa chọn các yếu tố có thể làm tăng hiệu suất động cơ nhiệt:
a. Tăng ma sát trong các bộ phận cơ khí của động cơ
b. Tăng nhiệt độ cháy của nhiên liệu trong động cơ
c. Thu hẹp khoảng nhiệt độ làm việc của động cơ

d. Tăng áp suất làm việc của khí
Việc sử dụng các pin nhiên liệu là một cách để cải thiện hiệu suất động cơ cho các loại xe trong
tương lai. Hiệu suất động cơ có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các pin nhiên liệu hydro.
2. Enthalpy tạo thành chuẩn của nước lỏng ∆fH0(H2O,l) = -285,84 kJ.mol-1, enthalpy cháy chuẩn
của isooctane ∆cH0(C8H18,l) = -5065,08 kJ.mol-1 (cả 2 giá trị này ở nhiệt độ 323,15 K). Tính các
giá trị enthalpy cháy riêng phần (có đơn vị năng lượng trên khối lượng) của isooctane lỏng tinh
khiết và hydro khí nguyên chất tại 323,15 K.
3. Tính sức điện động chuẩn (EMF) của một pin nhiên liệu sử dụng khí oxy và hydro, cho rằng
cả hai đều là khí lý tưởng ở 100 kPa và 323,15 K, để tạo ra nước lỏng. Sử dụng dữ liệu entropy
cho ở 323,15 K như sau: S0(H2O,l) = 70 J.K-1.mol-1, S0(H2,g) = 131 J. K-1.mol-1, S0(O2,g) = 205
J.K-1.mol-1.
4. Xác định hiệu suất nhiệt động lí tưởng (η) của một pin nhiên liệu tạo ra nước lỏng ở 353,15 K.
Ở nhiệt độ này, enthalpy tạo thành của nước là ∆fH0(H2O, l) = -281,64 kJ.mol-1 và biến thiên
năng lượng Gibbs của phản ứng tương ứng là ∆rG0 = -225,85 kJ.mol-1
5. Một máy điện phân sử dụng màng polyme hoạt động ở điện áp 2,00 V được cung cấp năng
lượng bởi một nhà máy điện sử dụng tuabin gió cơng suất 10,0 MW chạy hết cơng suất từ 10 giờ
tối đến 6 giờ sáng. Máy điện phân tạo ra 1090 kg hydro nguyên chất. Tính hiệu suất điện phân,
được định nghĩa là tỉ số khối lượng của hydro thực tế với khối lượng hydro lý thuyết có thể tạo
ra.
6. Tính khối lượng hydro cần thiết sử dụng cho một chiếc xe ô tô chạy một quãng đường 330 km
ở tốc độ trung bình 100 km.h-1, xe được trang bị động cơ điện 310 kW nhưng chỉ chạy trung bình
ở mức 15% cơng suất tối đa của nó. Giả sử hiệu suất tạo ra điện của pin nhiên liệu hydro là 75%,
hiệu suất của động cơ điện là 95%, biến thiên năng lượng Gibbs cho sự đốt cháy hydro trong pin
là ∆rG = -226 kJ.mol-1.
Hiệu suất thấp của việc sản xuất hydro và các vấn đề an toàn trong việc lưu trữ hydro làm cho
việc sử dụng pin nhiên liệu hidro trong oto bị hạn chế. Pin nhiên liệu sử dụng hydrazin (N 2H4) có
thể là một lựa chọn thay thế phù hợp. Cho các thế khử chuẩn của hydrazin trong nước như sau:


7. Điền vào giản đồ Latimer sau đây với các dạng tồn tại phổ biến thích hợp của hydrazin và

amoniac ở các điều kiện đã cho và ghi giá trị thế oxi hóa – khử cho mỗi mũi tên của bán phản
ứng điện hóa. Trình bày tính tốn chi tiết.

Do độc tính, mùi và tác động mơi trường của amoniac, nên cần hạn chế việc sử dụng pin
nhiênliệu có tạo ra sản phẩm là ammoniac.
8. Viết các phản ứng tổng cộng của sự phân hủy hydrazin trong môi trường bazơ để tạo thành (i)
amoniac và nitơ và (ii) nitơ và hydro. Tính các hằng số cân bằng tương ứng ở 298,15 K.
Pin sạc lithium có thể được sử dụng để thay thế cho pin nhiên liệu. Trong pin lithium-ion, một
điện cực gồm các cụm lithium xen kẽ giữa các tấm than chì. Điện cực cịn lại làm từ lithium
cobalt oxide. Các ion lithium di chuyển thuận nghịch từ điện cực này sang điện cực khác trong
quá trình nạp và xả. Các nửa phản ứng xảy ra trong pin như sau:

9. Sử dụng các dữ kiện đã cho ở trên, viết một phản ứng hóa học đầy đủ xảy ra trong pin khi xả
điện. Xác định số oxi hóa của cobalt trước và sau phản ứng.
10. Đánh dấu vào các ô phát biểu đúng ứng với quá trình pin xả điện (quá trình 9)

11. Giả thiết rằng cứ một đơn vị C6, một đơn vị CoO2 và một nguyên tử Li trong pin được sử
dụng để chuyển một electron giữa các điện cực. Sử dụng EMF chuẩn tương ứng, tính dung lượng
lý thuyết (mA.h.g -1) và mật độ năng lượng (kW.h.kg-1) của pin lithium ion.
Giải
1. b,d
2.


3.

4.

5.

6.


7.

8.


9.

10.

11.

Bài 5
Một trong những vấn đề thách thức nhất đối với các cơng nghệ tương lai là tối đa hóa năng lượng
thu được từ các nguồn tái tạo: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy điện, địa nhiệt và sinh
khối. Mặc dù chúng đại diện cho nguồn năng lượng sạch và dồi dào với tiềm to lớn, nhưng
chúng không liên tục, áp dụng chủ yếu cho năng lượng mặt trời. Điều này có nghĩa là chúng
khơng phải lúc nào cũng có sẵn mọi lúc mọi nơi chẳng hạn khi mặt trời lặn, gió khơng thổi, v.v.
Một trong những giải pháp khả thi cho vấn đề này là lưu trữ năng lượng trong mơi trường lâu dài
và có thể chuyển đổi sang dạng năng lượng khác được.
Một hệ như vậy đã có sẵn trong tự nhiên đó là q trình quang hợp. Cây sử dụng ánh sáng mặt
trời để làm nhiên liệu (carbohydrate) từ nước và carbon dioxide. Tuy nhiên, để có thể làm được
điều đó, cây trồng cần đất đai màu mỡ, nước và khí hậu thuận lợi. Mặt khác, hệ quang hợp nhân
tạo thì khơng bị giới hạn bởi những ràng buộc như vậy và có khả năng tạo ra nhiên liệu có mật
độ năng lượng cao hơn, như hydro. Quá trình tách nước bằng phương pháp quang điện hóa
(PEC) là một q trình có hiệu suất cao nhưng phức tạp. Để có hiểu biết cơ bản về quang điện
hóa, bạn hãy hồn thành các câu hỏi sau:
1. Các bán phản ứng nào sau đây có thế khử phụ thuộc vào pH?

2. Sử dụng phương trình Nernst-Peterson và giả sử [A ox] = [Ared], viết công thức sự phụ thuộc
của thế khử của phản ứng sau vào pH

3. Cho 2 bán phản ứng:

a. Phản ứng nào trong hai phản ứng có thể xảy ra ở điều kiện p = 1 atm, T = 298,15 K? Chất B sẽ
oxi hóa C hay chất C sẽ oxi hóa B? Viết phương trình hóa học cân bằng cho phản ứng giữa các
chất B và C.
b. Xác định thế tiêu chuẩn của phản ứng trên (sức điện động của pin)
c. Tính hằng số cân bằng cho phản ứng trên
4. Xét hệ điện hóa của hai bán phản ứng có thể xảy ra trong pin thí nghiệm ở điều kiện lạnh,
trong đó một phản ứng phụ thuộc vào pH và phản ứng cịn lại thì khơng:

a. Tính sự thay đổi điện thế của phản ứng (tính bằng milivôn) dưới dạng hàm của pH. Các thế
điện cực đã cho tương ứng với pH = 0 và T = 262 K. Tham số duy nhất có thể thay đổi trong q
trình thí nghiệm là giá trị pH của chất điện ly.
b. Vẽ đồ thị (đường thẳng) về sự phụ thuộc của thế khử (đối với cả D và E) vào pH (pH= 0-13)
c. Tìm giá trị của pH tại đó hằng số cân bằng của q trình oxi hóa chất D là K = 2,56 × 105
d. Chỉ ra trên đồ thị đã vẽ vùng pH nơi D sẽ oxy hóa E
5. Tính thời gian cần thiết để điện phân tấm kim loại có kích thước 5x10x0,5 mm được nhúng
hoàn toàn vào 10 cm3 dung dịch tiền chất vàng C(Au 3+) = 5 mmol.dm-3 thu được lớp phủ vàng có
khối lượng 5 mg. Giả sử rằng chỉ có vàng (M Au = 197 g.mol-1) bám vào bề mặt tấm kim loại,
khơng xảy ra phản ứng phụ, diện tích bề mặt các chỗ tiếp xúc với điện cực không đáng kể, trong
q trình điện phân có dịng điện khơng đổi 25 mA.
Sau khi điện cực được phủ bởi một lớp phủ có độ dẫn điện cao và tương đối trơ (ví dụ: vàng),
một chất xúc tác quang có thể được thêm vào. Nhờ tính ổn định hóa học của chúng trong môi
trường dung dịch, chất bán dẫn gốc oxit kim loại là vật liệu thích hợp cho ứng dụng quang điện
hóa. Gần đây, titanium dioxide đã nổi lên như một chất xúc tác quang tuyệt vời. Nó là một chất

bán dẫn loại n và có thể được sử dụng làm cực quang anot. Toàn bộ cơ chế phức tạp của các
phản ứng quang hóa xảy ra trên chất bán dẫn loại n khi được chiếu xạ có thể được đơn giản hóa
như sau. Một photon có đủ năng lượng (bước sóng) đập vào bề mặt của chất bán dẫn và một điện
tử từ orbital phân tử bị chiếm cao nhất (HOMO) bị kích thích đến orbital phân tử khơng bị chiếm


thấp nhất (LUMO), để lại một “lỗ trống” tích điện dương (h +) phía sau. Khi đặt một điện trường
ngồi, các electron bị kích thích được dẫn qua điện cực đối, ở đó chúng tham gia vào phản ứng
khử trong khi “lỗ trống” tham gia phản ứng oxy hóa. Dịng electron quan sát được gọi là dòng
quang điện.
Gọi Eg sự khác biệt giữa các mức năng lượng của HOMO và LUMO. Nó biểu thị năng lượng
kích thích tối thiểu (bước sóng cực đại) của bức xạ. Để chọn tối ưu chất quang xúc tác cho phản
ứng oxy hóa khử, tồn tại hai giả thiết chính: 1) E g của chất bán dẫn có khoảng cách rộng hơn so
với thế phản ứng oxy hóa khử; 2) mức năng lượng của HOMO thấp hơn mức năng lượng của
bán phản ứng oxi hóa và mức năng lượng của LUMO phải ở trên mức năng lượng của bán phản
ứng khử
6. Trong hình sau đây, biểu diễn giản đồ năng lượng của bốn vật liệu (F – I) theo vị trí của
HOMO và LUMO của chúng so với phản ứng oxy hóa khử được khảo sát.

a. Vật liệu nào có thể được sử dụng làm chất xúc tác quang cho phản ứng được nêu trong sơ đồ.
b. Tính bước sóng cực đại (tính bằng nm) của các nguồn chiếu xạ cần thiết để kích thích các vật
liệu bạn đã chọn. Dựa trên kết quả tính được, quyết định xem bạn có thể hoặc khơng thể sử dụng
ánh sáng UV và/hoặc VIS để chiếu xạ.
Giải
2.

3.


4.

5.


6.

Bài 6
Pin Ganvanic
Thí nghiệm được tiến hành ở 30,000C. Một pin điện hóa bao gồm một nửa pin là điện cực hiđro
[Pt(r) │H2(k) │H+(dd)] gồm điện cực platin kim loại nhúng trong một dung dịch đệm được bão hòa
bởi dòng khí hiđro. Điện cực hiđro được nối với một nửa pin thứ hai gồm điện cực kim loại (M)
nhúng trong dung dịch M2+(aq) chưa biết nồng độ. Hai nửa pin được nối với nhau bằng một cầu
muối được mô tả như trong Hình 1.
Lưu ý: Các giá trị thế khử tiêu chuẩn được ghi trong Bảng 1


1. Nếu tỷ số phản ứng (Q) của toàn bộ pin là 2,18 x 10-4 ở 30,00 0C, sức điện động của pin là
+0,450 V. Tính giá trị thế khử tiêu chuẩn (E0) và xác định kim loại "M". Lưu ý; ΔG = ΔG 0 + RT
lnQ.
2. Viết và cân bằng phản ứng oxi hóa khử tự diễn biến trong pin.


3. Nồng độ chưa biết của dung dịch M2+(aq) trong pin (Hình 1) có thể được xác định bằng phép
chuẩn độ iot. Lấy 25,00 cm3 dung dịch M2+(aq) cho vào một bình tam giác và thêm tiếp một
lượng dư KI. Chuẩn độ hỗn hợp thu được đến điểm tương đương hết 25,05 cm 3 dung dịch natri
thiosunfat 0,800 mol.dm-3. Viết tất cả các phản ứng oxi hóa khử xảy ra trong phép chuẩn độ này
và tính nồng độ của dung dịch M2+(aq).
(Nếu khơng tìm được câu trả lời, thí sinh có thể sử dụng nồng độ của M 2+ là 0,950 mol.dm-3 để
tính tiếp)
4. Trong Hình 1, ở nửa pin hiđro nếu áp suất riêng phần của khí hiđro là 0,360 bar và điện cực

platin được nhúng trong 500 cm3 dung dịch đệm gồm 0,050 mol axit lactic (HC 3H5O3) và 0,025
mol natri lactat (C3H5O3Na), sức điện động của pin đo được là + 0,534 V. Tính pH của dung dịch
đệm và hằng số phân li (Ka) của axit lactic ở 30,000C.
(Nếu khơng tìm được câu trả lời, thí sinh có thể sử dụng giá trị pH của dung dịch đệm là 3,46
cho các tính tốn tiếp theo).
Giải
1.

Or

2.

3.


4.
Tính tốn pH của dung dịch đệm

Or