Bài học

Thế điện cực chuẩn và pin điện hoá

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em so sánh được tính oxi hoá/khử của các cặp $M^{n+}/M$ qua thế điện cực chuẩn $E^\circ$ , tính được $E^\circ_{pin}$ của một pin điện hoá cụ thể, và viết đúng phản ứng xảy ra tại mỗi điện cực.

Sau bài này, em so sánh được tính oxi hoá/khử của các cặp $M^{n+}/M$ qua thế điện cực chuẩn $E^\circ$, tính được $E^\circ_{pin}$ của một pin điện hoá cụ thể, và viết đúng phản ứng xảy ra tại mỗi điện cực.

Kiến thức nền cần nhớ

Same-grade bridge: Course 6 — Pin điện và điện phân đã giới thiệu khái niệm cặp oxi hoá — khử $M^{n+}/M$ và dãy thế điện cực chuẩn. Bài ôn tập này hệ thống lại cách đọc bảng $E^\circ$ và cách dùng nó để dựng một pin điện hoá hoàn chỉnh — kĩ năng nền cho toàn bộ mạch điện hoá học của chương trình.

Khởi động

Một chiếc pin AA bình thường có thể thắp sáng một bóng đèn LED nhỏ trong nhiều giờ liền mà không cần cắm điện. Năng lượng điện đó đến từ đâu, nếu bên trong chỉ là các chất hoá học, và vì sao năng lượng đó cạn dần rồi hết hẳn sau một thời gian sử dụng?

Kiến thức trọng tâm

Mỗi kim loại M gắn với một cặp oxi hoá — khử $M^{n+}/M$ , đặc trưng bởi giá trị thế điện cực chuẩn $E^\circ$ (đơn vị vôn, đo ở điều kiện chuẩn, so với điện cực hydrogen chuẩn quy ước $E^\circ(H^+/H_2) = 0$ V). $E^\circ$ càng âm (nhỏ), kim loại M càng dễ nhường electron — tính khử của kim loại càng mạnh. $E^\circ$ càng dương (lớn), ion $M^{n+}$ càng dễ nhận electron — tính oxi hoá của ion kim loại càng mạnh. Sắp các cặp theo $E^\circ$ tăng dần ta được dãy thế điện cực chuẩn — bản mở rộng có định lượng của dãy hoạt động hoá học kim loại đã học ở lớp dưới.

Pin điện hoá (pin Galvani) khai thác chênh lệch $E^\circ$ giữa hai cặp oxi hoá — khử để sinh dòng điện: nối hai điện cực kim loại nhúng trong dung dịch muối tương ứng của chính nó, dùng dây dẫn ngoài nối hai điện cực và một cầu muối nối hai dung dịch để cân bằng điện tích. Điện cực có $E^\circ$ nhỏ hơn đóng vai trò cực âm (anode) — nơi xảy ra oxi hoá (kim loại tan ra, nhường electron); điện cực có $E^\circ$ lớn hơn đóng vai trò cực dương (cathode) — nơi xảy ra khử (ion kim loại trong dung dịch nhận electron, bám lên điện cực). Sức điện động chuẩn của pin tính theo công thức: $E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}$ , luôn dương với một pin tự phát thực sự sinh ra dòng điện.

Mỗi kim loại M gắn với một **cặp oxi hoá — khử** $M^{n+}/M$, đặc trưng bởi giá trị **thế điện cực chuẩn** $E^\circ$ (đơn vị vôn, đo ở điều kiện chuẩn, so với điện cực hydrogen chuẩn quy ước $E^\circ(H^+/H_2) = 0$ V). $E^\circ$ càng **âm** (nhỏ), kim loại M càng dễ nhường electron — tính khử của kim loại càng **mạnh**. $E^\circ$ càng **dương** (lớn), ion $M^{n+}$ càng dễ nhận electron — tính oxi hoá của ion kim loại càng **mạnh**. Sắp các cặp theo $E^\circ$ tăng dần ta được dãy thế điện cực chuẩn — bản mở rộng có định lượng của dãy hoạt động hoá học kim loại đã học ở lớp dưới. **Pin điện hoá** (pin Galvani) khai thác chênh lệch $E^\circ$ giữa hai cặp oxi hoá — khử để sinh dòng điện: nối hai điện cực kim loại nhúng trong dung dịch muối tương ứng của chính nó, dùng dây dẫn ngoài nối hai điện cực và một cầu muối nối hai dung dịch để cân bằng điện tích. Điện cực có $E^\circ$ **nhỏ hơn** đóng vai trò **cực âm (anode)** — nơi xảy ra **oxi hoá** (kim loại tan ra, nhường electron); điện cực có $E^\circ$ **lớn hơn** đóng vai trò **cực dương (cathode)** — nơi xảy ra **khử** (ion kim loại trong dung dịch nhận electron, bám lên điện cực). Sức điện động chuẩn của pin tính theo công thức: $E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}$, luôn dương với một pin tự phát thực sự sinh ra dòng điện.

Cần phân biệt rõ hai khái niệm dễ gộp lẫn: dãy hoạt động hoá học kim loại ở lớp dưới chỉ sắp xếp định tính (kim loại nào mạnh hơn kim loại nào), còn dãy thế điện cực chuẩn ở đây gắn mỗi kim loại với một con số $E^\circ$ cụ thể — cho phép không chỉ so sánh mà còn tính toán định lượng sức điện động của bất kì cặp pin nào ghép từ hai kim loại trong dãy, thay vì chỉ dự đoán chiều phản ứng như trước đây.

Cần phân biệt rõ hai khái niệm dễ gộp lẫn: **dãy hoạt động hoá học kim loại** ở lớp dưới chỉ sắp xếp định tính (kim loại nào mạnh hơn kim loại nào), còn **dãy thế điện cực chuẩn** ở đây gắn mỗi kim loại với một con số $E^\circ$ cụ thể — cho phép không chỉ so sánh mà còn **tính toán định lượng** sức điện động của bất kì cặp pin nào ghép từ hai kim loại trong dãy, thay vì chỉ dự đoán chiều phản ứng như trước đây.

Giá trị E° càng âm, tính khử của kim loại càng mạnh; càng dương, tính oxi hoá của ion kim loại càng mạnh.

Ví dụ

Tính E°pin và viết phản ứng điện cực của pin Zn-Cu

1
Cho $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V và $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V. Tính $E^\circ_{pin}$ của pin Zn-Cu (pin Daniell) và viết phản ứng xảy ra tại mỗi điện cực.
Cho $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V và $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V. Tính $E^\circ_{pin}$ của pin Zn-Cu (pin Daniell) và viết phản ứng xảy ra tại mỗi điện cực.
2
Vì $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) < E^\circ(Cu^{2+}/Cu)$ , Zn đóng vai trò cực âm (anode), Cu đóng vai trò cực dương (cathode).
Vì $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) < E^\circ(Cu^{2+}/Cu)$, Zn đóng vai trò cực âm (anode), Cu đóng vai trò cực dương (cathode).
3
Tại anode (Zn) xảy ra oxi hoá: $Zn \to Zn^{2+} + 2e^-$ .
Tại anode (Zn) xảy ra oxi hoá: $Zn \to Zn^{2+} + 2e^-$.
4
Tại cathode (Cu) xảy ra khử: $Cu^{2+} + 2e^- \to Cu$ .
Tại cathode (Cu) xảy ra khử: $Cu^{2+} + 2e^- \to Cu$.
5
$E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10$ V.
$E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10$ V.
6
Vậy $E^\circ_{pin} = 1{,}10$ V, đúng bằng giá trị đo được thực nghiệm của pin Daniell kinh điển. Phản ứng tổng quát của pin là $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$ , thu được bằng cách cộng hai bán phản ứng điện cực.
Vậy $E^\circ_{pin} = 1{,}10$ V, đúng bằng giá trị đo được thực nghiệm của pin Daniell kinh điển. Phản ứng tổng quát của pin là $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$, thu được bằng cách cộng hai bán phản ứng điện cực.

Ví dụ

Bài toán exam-style: pin Zn-Ag

1
Cho $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V và $E^\circ(Ag^+/Ag) = +0{,}80$ V. Ghép hai điện cực Zn và Ag thành một pin điện hoá. Tính $E^\circ_{pin}$ , xác định cực âm/cực dương, và viết phương trình ion thu gọn của phản ứng tổng quát xảy ra trong pin.
Cho $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V và $E^\circ(Ag^+/Ag) = +0{,}80$ V. Ghép hai điện cực Zn và Ag thành một pin điện hoá. Tính $E^\circ_{pin}$, xác định cực âm/cực dương, và viết phương trình ion thu gọn của phản ứng tổng quát xảy ra trong pin.
2
$E^\circ(Zn^{2+}/Zn) < E^\circ(Ag^+/Ag)$ nên Zn là cực âm, Ag là cực dương.
$E^\circ(Zn^{2+}/Zn) < E^\circ(Ag^+/Ag)$ nên Zn là cực âm, Ag là cực dương.
3
$E^\circ_{pin} = E^\circ(Ag^+/Ag) - E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = 0{,}80 - (-0{,}76) = 1{,}56$ V.
$E^\circ_{pin} = E^\circ(Ag^+/Ag) - E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = 0{,}80 - (-0{,}76) = 1{,}56$ V.
4
Anode (Zn): $Zn \to Zn^{2+} + 2e^-$ . Cathode (Ag): $Ag^+ + e^- \to Ag$ .
Anode (Zn): $Zn \to Zn^{2+} + 2e^-$. Cathode (Ag): $Ag^+ + e^- \to Ag$.
5
Vì Zn nhường 2 electron còn mỗi $Ag^+$ chỉ nhận 1 electron, cần nhân đôi bán phản ứng tại cathode trước khi cộng: $Zn + 2Ag^+ \to Zn^{2+} + 2Ag$ .
Vì Zn nhường 2 electron còn mỗi $Ag^+$ chỉ nhận 1 electron, cần nhân đôi bán phản ứng tại cathode trước khi cộng: $Zn + 2Ag^+ \to Zn^{2+} + 2Ag$.
6
Vậy $E^\circ_{pin} = 1{,}56$ V; Zn là cực âm bị oxi hoá, Ag là cực dương nơi ion $Ag^+$ bị khử; phương trình ion thu gọn của pin là $Zn + 2Ag^+ \to Zn^{2+} + 2Ag$ .
Vậy $E^\circ_{pin} = 1{,}56$ V; Zn là cực âm bị oxi hoá, Ag là cực dương nơi ion $Ag^+$ bị khử; phương trình ion thu gọn của pin là $Zn + 2Ag^+ \to Zn^{2+} + 2Ag$.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: viết ngược công thức thành $E^\circ_{pin} = E^\circ_{anode} - E^\circ_{cathode}$ , cho ra giá trị âm vô lí với một pin tự phát. Luôn nhớ: cực có $E^\circ$ LỚN HƠN là cathode, trừ đi cực có $E^\circ$ NHỎ HƠN (anode) — kết quả luôn dương. Đừng nhầm quy ước cực âm/dương của pin với quy ước ngược lại ở bể điện phân, sẽ gặp ở bài tiếp theo — trong pin, cực âm là nơi oxi hoá; trong bể điện phân, cực nối với cực âm nguồn điện ngoài mới là nơi khử.

Sai lầm thường gặp: viết ngược công thức thành $E^\circ_{pin} = E^\circ_{anode} - E^\circ_{cathode}$, cho ra giá trị âm vô lí với một pin tự phát. Luôn nhớ: cực có $E^\circ$ LỚN HƠN là cathode, trừ đi cực có $E^\circ$ NHỎ HƠN (anode) — kết quả luôn dương. Đừng nhầm quy ước cực âm/dương của pin với quy ước ngược lại ở bể điện phân, sẽ gặp ở bài tiếp theo — trong pin, cực âm là nơi oxi hoá; trong bể điện phân, cực nối với cực âm nguồn điện ngoài mới là nơi khử.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$E^\circ$ càng âm, tính khử kim loại càng mạnh; càng dương, tính oxi hoá ion kim loại càng mạnh. Trong pin: cực $E^\circ$ nhỏ hơn là anode (oxi hoá, cực âm); cực $E^\circ$ lớn hơn là cathode (khử, cực dương). $E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}$ , luôn dương.

Mẹo làm bài nhanh: bất cứ khi nào đề cho hai giá trị $E^\circ$ , việc đầu tiên là xác định ngay kim loại nào có $E^\circ$ lớn hơn — kim loại đó chắc chắn là cathode, và hiệu số luôn lấy giá trị lớn trừ giá trị nhỏ để ra kết quả dương, không cần suy luận lại từ đầu mỗi lần. Cách nhớ hình ảnh: kim loại càng "hiền" (khó nhường electron, $E^\circ$ lớn) càng được ưu tiên nhận electron trước, nên luôn đóng vai trò cathode.

Mẹo làm bài nhanh: bất cứ khi nào đề cho hai giá trị $E^\circ$, việc đầu tiên là xác định ngay kim loại nào có $E^\circ$ lớn hơn — kim loại đó chắc chắn là cathode, và hiệu số luôn lấy giá trị lớn trừ giá trị nhỏ để ra kết quả dương, không cần suy luận lại từ đầu mỗi lần. Cách nhớ hình ảnh: kim loại càng "hiền" (khó nhường electron, $E^\circ$ lớn) càng được ưu tiên nhận electron trước, nên luôn đóng vai trò cathode.

Bài tiếp theo đảo ngược tình huống: thay vì để phản ứng tự xảy ra sinh dòng điện, ta dùng dòng điện từ bên ngoài để cưỡng bức một phản ứng oxi hoá — khử không tự xảy ra, gọi là điện phân — và tính toán lượng sản phẩm bằng định luật Faraday.