Tài liệu Phản ứng oxi hóa khử và điện hóa_chương 6 pdf

_____________________________________________________________________
Chương 6
PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ VÀ ÐIỆN HÓA

I. PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ.
1. Số oxi hóa.
2.
Phản ứng oxi hóa khử.
3. Cân bằng phản ứng oxi hóa khử.
4.
Điện cực và thế điện cực.
5. Cách đo thế điện cực.
6. Dãy kim loại hoạt động.
7.
Cách tính sức điện động của pin.
8. Điện thế cực của một số điện cực khác.
9. Phương trình Nernst.
10. Liên hệ giữa biến đổi năng lượng tự do với sức điện động và hằng số cân
bằng.


I. PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ
1. Số oxi hóa
Số oxi hóa hay trạng thái oxi hóa của một nguyên tử trong hợp chất cộng hóa
trị là điện tích mà nguyên tử đó có được khi các đôi electron góp chung được chuyển
hết cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Ví dụ: Công thức Lewis của HCl là H-Cl,
độ âm điện của Cl là 2,8 lớn hơn độ âm điện của H là 2,2, do đó khi đôi elextron góp
chung chuyển hết cho Cl thì Cl có 8 electron hóa trị, dư 1 electron so với ban đầu nên
Cl có điện tích -1 và do đó có số oxi hóa -1. Ðối với H sẽ ít hơn 1 electron so với ban
đầu nên sẽ có số oxi hóa +1.
Ðối với hợp chất cộng hóa trị có công thức phức tạp ta có thể dễ dàng xác định

số oxi hóa của các nguyên tử nhờ các quy tắc sau đây:
- Tổng số oxi hóa của các nguyên tử trong phân tử trung hòa bằng 0, trong ion
bằng điện tích của ion.
- Trong hợp chất: Các nguyên tố nhóm IA có số oxi hóa +1, các nguyên tố
nhóm IIA có số oxi hóa +2, Bo và Nhôm có số oxi hóa +3, Fluor có số oxi hóa -1.
- Trong hợp chất H có số oxi hóa +1 (trừ trường hợp các Hidrua kim loại trong
đó H có số oxi hóa -1).
- Trong hợp chất số oxi hóa của O là -2.
Ví dụ 6.1. Tính số oxi hóa của mỗi nguyên tử trong HClO4
Theo các nguyên tắc trên ta có: Số oxi hóa của H là +1, của O là -2. Gọi x là số
oxi hóa của Cl, dựa theo nguyên tắc tổng số oxi hóa trong phân tử trung hòa bằng 0 ta
tìm được x = +7.
- Với các ion đơn nguyên tử số oxi hóa chính bằng điện tích của ion.
- Nếu hợp chất hóa học chứa nhiều hơn một nguyên tố không tuân theo quy tắc
thì phải dùng công thức Lewis để tính.
Do số oxi hóa là một đại lượng quy ước, không phải là điện tích thật sự của
nguyên tử trong hợp chất hóa học nên không thể đo được số oxi hóa bằng thực
nghiệm.
- Các nguyên tố hóa học có thể có nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau hay nhiều
số oxi hóa khác nhau nhưng không nguyên tố nào có số oxi hoá lớn hơn +8.Ngoại trừ
Cu, Au và khí hiếm không nguyên tố nào có số oxi hóa lớn hơn số thứ tự nhóm.
Số oxi hóa giúp chúng ta nhớ được tính chất hóa học của các nguyên tố và tính
chất hóa học của các hợp chất của chúng dễ dàng.
Ví dụ 6.2. Số oxi hóa càng cao tính axít càng mạnh.
chứa S có số oxi hóa
+6,

Trong hợp chất của kim loại số oxi hóa của kim loại càng lớn thì hợp chất có
tính cộng hóa trị càng nhiều.
là chất lỏng như dầu , màu vàng, không dẫn điện, là

hợp chất cộng hóa trị. Trái lại
là các tính thể rắn, nhiệt độ nóng chảy cao, là hợp
chất ion.
2. Phản ứng oxi hóa khử
Dựa trên số oxi hóa người ta có thể chia phản ứng hóa học ra làm 2 loại: phản
ứng không xảy ra sự thay đổi số oxi hóa và phản ứng có xảy ra sự thay đổi số oxi hóa
của các nguyên tố.
Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng có xảy ra sự thay đổi số oxi hóa của các
nguyên tố. Nguyên nhân là do có sự cho nhận electron giữa các nguyên tử của các
nguyên tố đó.
Ví dụ 6.3. Xét phản ứng xảy ra khi nhúng thanh kẽm vào dung dịch đồng
sunfat:
Zn + CuSO
4
-> ZnSO
4
+ Cu
Phương trình ion: Zn + Cu2+ -> Zn2+ + Cu
Ở đây xảy ra hai quá trình:
- Quá trình nhường electron của Zn để trở thành Zn2+: Quá trình này gọi là quá
trình oxi hóa. Zn là chất nhường electron được gọi là chất khử, Zn2+ gọi là chất oxi
hóa liên hợp của Zn. ( Zn - 2e -> Zn2+).
- Quá trình nhận electron của Cu2+ để trở thành Cu: Quá trình này được gọi là
quá trình khử . Cu2+ là chất nhận electron được gọi là chất oxi hóa, Cu gọi là chất khử
liên hợp của

- Một phản ứng oxi hóa khử nhất thiết phải có sự tham gia của chất khử và
chất oxi hóa hay nói cách khác phải bao gồm 2 quá trình: Quá trình khử và quá trình
oxi hóa.
Tổng quát một phản ứng oxi hóa khử có thể trình bày dưới dạng:

Ox1/Kh1,Ox2/Kh2 gọi là các cặp oxi hóa khử liên hợp.
Dạng khử của chất này phản ứng với dạng oxi hóa của chất kia và phản ứng
xảy ra theo chiều thuận hay nghịch tùy thuộc vào bản chất của các cặp oxi hóa khử
liên hợp cũng như điều kiện thực nghiệm.
3. Cân bằng phản ứng oxi hóa khử
Có nhiều phương pháp khác nhau để cân bằng phản ứng oxi hóa khử. Hai
phương pháp quan trọng nhất trong số đó là: Phương pháp thay đổi số oxi hóa và
phương pháp bán phản ứng. Tuy nhiên chúng đã được trình bày chi tiết trong các giáo
trình ở bậc phổ thông trung học, nên không nhất thiết phải được nhắc lại.
4. Ðiện cực và thế điện cực
Ðiện cực là một hệ thống gồm một chất dẫn điện tiếp xúc với hỗn hợp các chất
ở dạng oxi hóa và dạng khử
Một dạng điện cực tiêu biểu thường gặp là kim loại nhúng trong dung dịch
muối của nó. Một điện cực như thế này còn gọi là một bán pin.
Ðể tìm hiểu cách điện cực làm việc ta xét điện cực có cấu tạo gồm một thanh
kẽm nhúng trong dung dịch muối kẽm có nồng độ Zn2+ là 1M.
Khi thanh kẽm được dìm vào dung dịch một số nguyên tử sẽ tách khỏi kim loại
đi vào dung dịch dưới dạng ion, các electron hóa trị vẫn còn ở lại trong kim loại, làm
thanh kim loại tích điện âm. Quá trình này có thể biểu diễn:
Zn -> Zn
2+
( dd) +2e(kl)
Ðiện tích âm của thanh kim loại sẽ hút ngược trở lại các ion Zn2+ trong dung
dịch và khử chúng ngược trở lại thành kim loại:
Zn
2+
(dd) +2e -> Zn
Quá trình thuận nghịch này nhanh chóng đạt đến cân bằng:

Zn
2+
(dd) +2e Zn
Khi đạt cân bằng thanh kẽm sẽ tích điện âm do có dư một số electron, dung dịch
sẽ tích điện dương do có dư một số ion Zn2+ so với ban đầu. Sự khác biệt về diện tích
giữa thanh kẽm và dung dịch phụ thuộc vào:
- Khả năng oxi hóa của kim loại
- Khả năng bị khử thành kim loại của ion kim loại
- Nồng độ của ion kim loại trong dung dịch.
Kim loại càng hoạt động càng dễ tạo thành ion và do đó điện tích âm tạo ra
càng lớn. Kẽm là kim loại hoạt động mạnh hơn đồng nên điện tích âm tạo ra trên thanh
kẽm khi nhúng trong dung dịch muối kẽm sẽ lớn hơn điện tích âm tạo ra trên thanh
đồng khi nhúng trong dung dịch muối đồng có cùng nồng độ.
Sự khác biệt về điện tích giữa thanh kim loại và dung dịch cũng sẽ thay đổi
theo nồng độ của ion kim loại trong dung dịch. Từ cân bằng trên ta thấy khi nồng độ
Zn2+ trong dung dịch tăng thì electron hóa trị tự do trong thanh kim loại sẽ giãm, do
đó điện tích chênh lệch sẽ giãm và ngược lại. Ðiện cực kẽm là chất rắn, nồng độ của
nó không đổi, nên độ lớn của điện cực không ảnh hưởng đến độ lớn của điện tích.
Khi một thanh kim loại được nhúng vào dung dịch chứa ion của nó với nồng
độ 1M thì electron sẽ tích tụ trên thanh kim loại một cách tự nhiên do có một số ion
kim loại tan vào dung dịch.Muốn kéo các electron này vào dung dịch cần phải tiêu tốn
một năng lượng. Năng lượng tiêu tốn này thay đổi theo độ khác biệt về điện tích giữa
kim loại và dung dịch. Ðộ khác biệt này gọi là thế điện cực của điện cực. Thế điện cực
càng lớn, năng lượng cần thiết để kéo electron từ kim loại vào dung dịch càng lớn.
Ðơn vị dùng để đo sự khác biệt thế điện là Volt. Ðể kéo được 1 coulomb từ
một nơi có thế thấp đến một nơi có thế cao hơn 1 volt thì năng lượng cần là 1 joule. ( 1
coulomb = điện tích của 1 /96485mol electron).
1J = 1C x 1V
Thế chênh lệch càng lớn công đòi hỏi để kéo electron càng lớn.
Không có một phương pháp nào cho phép đo được sự khác biệt về thế điện

giữa kim loại và dung dịch chứa ion của kim loại mà chỉ có thể đo được sự khác biệt
thế điện cực giữa hai điện cực. Do đó nếu ta đo được sự khác biệt về thế điện cực giữa
một điện cực chưa biết và một điện cực chuẩn có giá trị thế điện cực được chọn bằng 0
thì giá trị khác biệt đo được chính là giá trị thế điện cực của điện cực chưa biết.
Ðiện cực được sử dụng làm điện cực chuẩn có giá trị thế điện cực bằng 0 là
điện cực Hidro tiêu chuẩn. Giá trị thế điện cực của tất cả các điện cực khác được trình
bày chính là giá trị đo với điện cực hidro tiêu chuẩn.
Ðiện cực hidro tiêu chuẩn là điện cực khí. Ðiện cực khí là một bán pin với chất
khí vừa đóng vai trò chất oxi hóa vừa đóng vai trò chất khử. Khí được bơm vào xung
quanh một chất dẩn điện trơ chỉ làm nhiệm vụ chuyển electron mà không tham gia vào
phản ứng điện cực. Dối với điện cực hidro, khí H2 được bơm vào xung quanh một dây
Platin có bề mặt rất mịn dìm trong dung dịch chứa ion H+. Một số phân tử H2 sẽ
chuyển electron cho Platin và trở thành ion H+. Ngược lại một số ion H+ sẽ nhận
electron từ Platin và bị khử thành H2. Do đó sẽ phát sinh một độ khác biệt về thế điện
giữa điện cực và dung dịch như đã trình bày đối với điện cực kẽm. Platin đóng vai trò
một chất dẫn trơ và xúc tác giúp cho quá trình nhanh chóng đạt đến cân bằng.
2H
+
+ 2e H
2

Thế điện cực của các điện cực khí phụ thuộc vào áp suất khí. Ðiện cực hidro
tiêu chuẩn là điện cực được thiết lập ở điều kiện áp suất khí là 1 atm, nồng độ ion H+
trong dung dịch là 1M ở
. Giá trị thế điện cực của điện cực hidro chuẩn bằng 0.

5. Cách đo thế điện cực
Ðể đo thế của một điện cực kim loại so với điện cực hidro tiêu chuẩn ta cần
thiết lập một pin điện gồm một bán pin là kim loại nhúng trong dung dịch muối của nó
với nồng độ của ion kim loại là 1M và bán pin còn lại là điện cực hidro tiêu chuẩn. Hai