Bài giảng môn Hóa đại cương - Chương 6: Điện hóa học

CHƯƠNG 6 – ĐIỆN HÓA HỌC
I.PHẢN ỨNG OXI HÓA - KHỬ
Là phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa của các 
nguyên tố
 Có sự trao đổi e
Gồm hai quá trình:
Chất khử 1 oxihóa 1
Chất oxihóa 2 khử 2
- e
-
+ e
-
 QT oxi hóa
 QT khử
Chất khử 1 + chất oxi hóa 2 oxi hóa 1 + chất khử 2
Ví dụ: Zn + CuSO
4
 ZnSO
4
+ Cu
0
0
+2 +2
Zn
0
- 2 e Zn2+
Cu
2+
+ 2e Cu0
Zn dạng khử / Zn
2+
dạng oxi hóa
Cu
2+
dạng oxi hóa/ Cu dạng khử
Cân bằng phản ứng oxi hóa khử (xem SGK)
Vậy: Zn + Cu
2+ Zn2+ + Cu
 Phản ứng trên xây dựng từ 2 cặp oxi hóa-khử: 
Zn2+/Zn và Cu2+/Cu
 Mỗi cặp oxi hóa khử có 1 thế điện cực đặc trưng
oxi hóa /khử 
Bài tập
Cho các phản ứng oxi hóa –khử, viết các quá trình khử và 
oxi hóa xảy ra trong phản ứng. Cho biết các cặp oxi hóa khử 
tương ứng của phản ứng?
1.Al + CuSO
4
 Cu + Al
2
(SO
4
)
3
2.KMnO
4
+ KNO
2
+ H
2
SO
4
 MnSO
4
+ KNO
3
+ H
2
O
3.HNO
2
+ Br
2
+ H
2
O HNO
3
+ HBr
4.FeCl
3
+ KI FeCl
2 
+ I
2
+ KCl
5.Mn + Cl
2
+ 2NaOH Mn(OH)
2
+2NaCl
3.Thế điện cực – phương trình Nernst
- Thế điện cực là đại lượng thế hiệu đặc trưng cho 
quá trình điện cực hay điện cực, ký hiệu là .
]Kh[
]Ox[
ln
nF
RT0 Phương trình Nernst
n: số electron trao đổi trong quá trình điện cực;
[Ox], [Kh]: nồng độ các chất tham gia dạng
oxyhóa , dạng khử;
F: số Faraday (96484 culong/mol)
R: hằng số khí (8,314 J/mol)
T: nhiệt độ tuyệt đối.
 phụ thuộc: 
- bản chất điện cực
- nhiệt độ
- nồng độ
- Nồng độ muối lạ
)2I2e(I V 535,0 
)Cl22e(Cl V 358,1
Cu)2e(Cu V 0,337
Zn)2e(Zn V 0,763
2
0
/2II
2
0
/2ClCl
20
/CuCu
20
/ZnZn
-
2(l)
-
(k) 2
2
2
Ví dụ: Bảng thế điện cực tiêu chuẩn 
Ở 25
0
C ta có:
Ở đk chuẩn: C các chất = 1 
0
0 0,059 [ ]
lg
[ ]
Ox
n Kh
Đối với điện cực kim loại :
0 0,059
lg[ ]oxihoa
n
3 3
2 2
3
2
[ ]
0,059 lg
[ ]
o
Fe Fe
Fe Fe
Fe
Fe
Ví dụ: Tính  của Fe3+/Fe2+ ở 250C biết [Fe3+] =0,5M , [Fe2+] =1M
= 0,77 + 0,059 lg0,5 (V)
Fe
3+
+ 1e Fe2+
 0
Fe3+/Fe2+
= + 0,77V
II.CHIỀU PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ
 0
oxi hóa 1/khử 1
LỚN
 Oxi hóa 1 : tính oxi hóa 
 Khử 1 : tính khử 
 0
oxi hóa 2/khử 2
NHỎ Oxi hóa 2 : tính oxi hóa 
 Khử 2 : tính khử 
Chiều phản ứng oxi hóa khử:
Oxi hóa mạnh + khử mạnh oxi hóa yếu + khử yếu
 Theo quy tắc: Phản ứng oxyhóa-khử xảy ra theo
chiều dạng oxyhóa của quá trình điện cực có lớn
hơn sẽ oxyhóa dạng khử của quá trình điện cực có 
nhỏ hơn.
 quy tắc : - xếp hai cặp oxh/khử theo chiều tăng dần 
- Viết qui tắc 
VD2: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxi hóa /khử: I
2
/2I
-
và Fe
3+
/Fe
2+
Cho 0(I
2
/I
-
) = + 0,536V ; 0(Fe3+/Fe2+ )=+0,771V
(-)Pt | I
2
| I
-
|| Fe
3+ 
| Fe
2+
| Pt (+) E0 = 0,771 – (0, 536) = 0,235V 
I
2 
Fe
3+
2I
-
Fe
2+
 Phản ứng xảy ra trong pin:
Fe
3+
+ 2I
- I
2
+ Fe
2+
III.PIN ĐIỆN HÓA (NGUYÊN TỐ GALVANIC)
1.Phản ứng oxi hóa – khử và dòng điện
a.Phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong dung dịch
Zn + Cu
2+ Cu + Zn2+ , mol/kcal82,51Ho
298
Hóa năng nhiệt (Sự trao đổi e trực tiếp )
ZnSO
4
CuSO
4
màng xốp 
Zn( ) (+)Cu
b.Không cho chất oxi hóa và khử tiếp xúc trực tiếp
Zn
0
- 2 e Zn2+
Cu
2+
+ 2e Cu0
Có sự trao đổi e qua dây dẫn 
 dòng điện
2.Pin điện hóa (nguyên tố galvanic)
- Gồm 2 điện cực nối với nhau bằng một dây dẫn kim 
loại. 
- Điện cực đơn giản : 1 thanh kim loại nhúng trong dung 
dịch chất điện li của nó
ZnSO
4
CuSO
4
màng xốp 
Zn ( ) (+) Cu
Hoạt động của nguyên tố Cu Zn: 
Nguyên tố Cu Zn:
( ) Zn  Zn2+  Cu2+  Cu (+)
Zn + Cu
2+ Cu + Zn2+ , 
Xem pin điện hĩa
 Có thể tạo được một pin điện hóa dựa trên một phản 
ứng oxi hóa – khử (trên cơ sở 2 cặp oxihoa/khử)
Kí hiệu pin điện hóa:
(-) M
I
| ddM
I 
|| ddM
II
| M
II
(+)
Cặp oxh/kh 1 Cặp oxh/kh 2
VD1: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxi hóa /khử: Pb
2+
/Pb và Ag
+
/Ag
Cho 0(Pb2+/Pb) = - 0,126V ; 0(Ag+/Ag)=+0,799 V
VD2: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxi hóa /khử: I
2
/2I
-
và Fe
3+
/Fe
2+
Cho 0(I
2
/I
-
) = + 0,536V ; 0(Fe3+/Fe2+ )=+0,771V
(-) Pb | Pb
2+
|| Ag
+
|Ag (+)
M: Kim loại
ddM : dung dịch muối
(-)Pt| I
2
| I
-
|| Fe
3+
| Fe
2+
| Pt (+)
(nhường e) (nhận e)
Cực âm: Pb -2e Pb2+
Cực dương: Ag
+
+ e Ag
Suất điện động của pin E (V)
E = (+) - (-)
E
o
= 
0
(+) - 
0
(-)
 G = n F E 
 Go = n F Eo = RT lnK
F : hằng số Faraday : 96484 
 G : thế đẳng áp (J)
n: số electron trao đổi 
E : suất điện động của pin (V)
VD1: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxi hóa /khử: Pb
2+
/Pb và Ag
+
/Ag
Cho 0(Pb2+/Pb) = - 0,126V ; 0(Ag+/Ag)=+0,799 V
VD2: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxi hóa /khử: I
2
/2I
-
và Fe
3+
/Fe
2+
Cho 0(I
2
/I
-
) = + 0,536V ; 0(Fe3+/Fe2+ )=+0,771V
(-) Pb | Pb
2+
|| Ag
+
|Ag (+)
(-)Pt, I
2
| I
-
|| Fe
3+
, Fe
2+
| Pt (+)
 E0 = 0,799 – (-0,126) = 0,925V 
 E0 = 0,771 – (0, 536) = 0,235V 
Bài tập
1. Tính suất điện động và cho biết các quá trình điện cực, phản ứng
oxy hoá - khử xảy ra trong pin (–) Mg / Mg2+ // Zn2+ / Zn (+) :
a. Ở điều kiện chuẩn.
b. Khi [Mg
2+
] = 0,1 mol/ lit ; [Zn
2+
] = 0,01 mol/ lit.
Cho: V76,0 ; V37,2
o
Zn
o
Mg
Zn
2
Mg
2
2. Xác định cực âm, cực dương, viết ký hiệu pin, phương trình phản 
ứng xảy ra trong pin và tính sức điện động của pin ở điều kiện chuẩn 
của các pin điện sau:
a) Mg – Al b) Pb – Cd c) Sn – H
2
d) Điện cực platin nhúng trong dung dịch chứa Sn
4+
, Sn
2+
và điện cực 
platin nhúng trong dung dịch chứa Cr
3+ 
, Cr
2+
.
Biết: điện cực
 0
(V) 
: –2,37 –1,66 –0,136 0,15 –0,42 –0,126 –0,41 0,0
 :
2
2
322
2
423
2
H
H2 
Cr
Cr 
Pb
Pb 
Cd
Cd 
Sn
Sn 
Sn
Sn 
Al
Al
Mg
Mg 
3. Có thể oxy hoá axit HNO
2
thành HNO
3
bằng Br
2
và I
2
được 
không? Thành lập và cân bằng phương trình phản ứng oxy hoá –
khử xảy ra.
Biết: 
.V54,0 , V06,1 , V 7,0
ooo
I2
2
I
Br2
2
Br
2
NO
3
NO
4. Cho 2 hệ điện hoá:
2Br
– Br
2 
+ 2e , b) 2Cl
– Cl
2
+ 2e , 
Xác định phản ứng oxy hoá – khử xảy ra khi trộn 2 hệ điện hoá đã 
cho ở điều kiện chuẩn và tính suất điện động của pin tương ứng ở 
điều kiện này.
V06,1
o
a
 V36,1
o
b
5. Cho phản ứng: Mn + Cl
2
+ 2NaOH Mn(OH)
2
+2NaCl . Hỏi phản 
ứng xảy ra theo chiều nào? Biết 
Tính suất điện động của pin ở đkc? Tính G0
298
của phản ứng?
VV
OHMn
Mn
Cl
Cl
o
55,1 , 36,1
0
2)(2
2
6. Phản ứng 5Fe
3+
+Mn
2+
+12H
2
O ↔5Fe2++MnO4
-+8H2O xảy ra theo 
chiều nào? Biết 0(Fe3+/Fe2+) = 0,77V ; 0(MnO
4
-
/Mn
2+
) = 1,491V
IV.SỰ ĐIỆN PHÂN
Sự điện phân: phản ứng oxi hóa khử xảy ra trên 
bề mặt điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua
 Biến đổi điện năng thành hóa năng
Quá trình ở catot (-): nhận e (quá trình khử)
 Chất nào có tính oxi hóa mạnh nhận trước
Quá trình ở anot (+): nhường e (quá trình oxi hóa)
 Chất nào có tính khử mạnh nhường trước
(Đọc thêm SGK)
Ví dụ: Điện phân dd CuSO
4
Trong dd CuSO
4
bị điện ly : CuSO
4
 Cu2+ + SO
4
2-
Catod (-) Anod (+)
Cu
2+
, H
2
O SO
4
2-
, H
2
O
Cu
2+
+2 e Cu 2H
2
O –4e 4 H+ + O
2
 Phản ứng: CuSO
4
+ H
2
O Cu + O
2
+ H
2
SO
4
Ví dụ: Điện phân dd NaCl 
Trong dd NaCl bị điện ly : NaCl Na+ + Cl-
Catod (-) Anod (+)
Na
+
, H
2
O Cl
-
, H
2
O
H
2
O +2 e 1/2H
2
+ OH
-
2Cl
- –2e Cl
2
 Phản ứng: NaCl + H
2
O H
2
+ Cl
2
+ NaOH