Bài học

Cặp oxi hoá – khử và thế điện cực chuẩn

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng kí hiệu một cặp oxi hoá – khử dạng $M^{n+}/M$ , nêu được ý nghĩa của thế điện cực chuẩn $E^\circ$ , và đọc được một bảng thế điện cực chuẩn để so sánh tính oxi hoá, tính khử giữa các cặp.

Sau bài này, em viết đúng kí hiệu một cặp oxi hoá – khử dạng $M^{n+}/M$, nêu được ý nghĩa của thế điện cực chuẩn $E^\circ$, và đọc được một bảng thế điện cực chuẩn để so sánh tính oxi hoá, tính khử giữa các cặp.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 10 và 11, em đã học phản ứng oxi hoá – khử: chất khử nhường electron, chất oxi hoá nhận electron, và cân bằng phương trình bằng phương pháp thăng bằng electron. Đầu chương trình lớp 12, phần Đại cương về kim loại cũng đã cho em một dãy hoạt động hoá học định tính — Na, Mg, Al mạnh hơn Fe, Fe mạnh hơn Cu, Cu mạnh hơn Ag — qua các thí nghiệm như Fe tác dụng với dung dịch $CuSO_4$ . Bài này lượng hoá chính dãy hoạt động đó bằng một con số cụ thể: thế điện cực chuẩn.

Ở lớp 10 và 11, em đã học phản ứng oxi hoá – khử: chất khử nhường electron, chất oxi hoá nhận electron, và cân bằng phương trình bằng phương pháp thăng bằng electron. Đầu chương trình lớp 12, phần Đại cương về kim loại cũng đã cho em một dãy hoạt động hoá học định tính — Na, Mg, Al mạnh hơn Fe, Fe mạnh hơn Cu, Cu mạnh hơn Ag — qua các thí nghiệm như Fe tác dụng với dung dịch $CuSO_4$. Bài này lượng hoá chính dãy hoạt động đó bằng một con số cụ thể: thế điện cực chuẩn.

Khởi động

Nhúng một thanh Zn vào dung dịch $CuSO_4$ : thanh Zn tan dần, một lớp Cu đỏ bám lên bề mặt, màu xanh của dung dịch nhạt đi. Nhưng nhúng một thanh Cu vào dung dịch $ZnSO_4$ thì không có hiện tượng gì xảy ra. Em đã biết Zn hoạt động hoá học mạnh hơn Cu — nhưng mạnh hơn bao nhiêu, và dựa vào con số nào để so sánh chính xác hai kim loại bất kì? Đó là câu hỏi thế điện cực chuẩn trả lời.

Nhúng một thanh Zn vào dung dịch $CuSO_4$: thanh Zn tan dần, một lớp Cu đỏ bám lên bề mặt, màu xanh của dung dịch nhạt đi. Nhưng nhúng một thanh Cu vào dung dịch $ZnSO_4$ thì không có hiện tượng gì xảy ra. Em đã biết Zn hoạt động hoá học mạnh hơn Cu — nhưng mạnh hơn bao nhiêu, và dựa vào con số nào để so sánh chính xác hai kim loại bất kì? Đó là câu hỏi thế điện cực chuẩn trả lời.

Kiến thức trọng tâm

Cặp oxi hoá – khử của một nguyên tố kim loại gồm dạng oxi hoá (ion $M^{n+}$ ) và dạng khử (kim loại $M$ ) liên hệ với nhau qua bán phản ứng thuận nghịch $M^{n+} + ne \rightleftharpoons M$ . Ta viết cặp này theo quy ước dạng oxi hoá trước, dạng khử sau, cách nhau bởi dấu gạch chéo: $Zn^{2+}/Zn$ , $Cu^{2+}/Cu$ , $Ag^{+}/Ag$ , $2H^{+}/H_2$ . Cặp $2H^{+}/H_2$ giữ vai trò đặc biệt: nó là điện cực chuẩn hydrogen, được quy ước có thế điện cực chuẩn bằng 0,00 V ở mọi nhiệt độ, dùng làm mốc so sánh cho tất cả các cặp khác.

**Cặp oxi hoá – khử** của một nguyên tố kim loại gồm dạng oxi hoá (ion $M^{n+}$) và dạng khử (kim loại $M$) liên hệ với nhau qua bán phản ứng thuận nghịch $M^{n+} + ne \rightleftharpoons M$. Ta viết cặp này theo quy ước dạng oxi hoá trước, dạng khử sau, cách nhau bởi dấu gạch chéo: $Zn^{2+}/Zn$, $Cu^{2+}/Cu$, $Ag^{+}/Ag$, $2H^{+}/H_2$. Cặp $2H^{+}/H_2$ giữ vai trò đặc biệt: nó là điện cực chuẩn hydrogen, được quy ước có thế điện cực chuẩn bằng 0,00 V ở mọi nhiệt độ, dùng làm mốc so sánh cho tất cả các cặp khác.

Thế điện cực chuẩn $E^\circ$ của một cặp oxi hoá – khử là giá trị đo được khi ghép cặp đó với điện cực hydrogen chuẩn thành một pin, trong điều kiện chuẩn: 25 °C, nồng độ mỗi ion tan bằng 1 mol/L, chất khí (nếu có) ở áp suất 1 bar. Đơn vị của $E^\circ$ là volt (V). Ý nghĩa của $E^\circ$ nằm ở dấu và độ lớn của nó: $E^\circ$ càng lớn (càng dương) thì dạng oxi hoá $M^{n+}$ của cặp đó càng dễ nhận electron, tức tính oxi hoá của $M^{n+}$ càng mạnh; ngược lại $E^\circ$ càng nhỏ (càng âm) thì dạng khử $M$ càng dễ nhường electron, tức tính khử của kim loại $M$ càng mạnh. Ví dụ $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V nhỏ hơn nhiều so với $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V, nên Zn có tính khử mạnh hơn Cu, còn $Cu^{2+}$ có tính oxi hoá mạnh hơn $Zn^{2+}$ .

**Thế điện cực chuẩn** $E^\circ$ của một cặp oxi hoá – khử là giá trị đo được khi ghép cặp đó với điện cực hydrogen chuẩn thành một pin, trong điều kiện chuẩn: 25 °C, nồng độ mỗi ion tan bằng 1 mol/L, chất khí (nếu có) ở áp suất 1 bar. Đơn vị của $E^\circ$ là volt (V). Ý nghĩa của $E^\circ$ nằm ở dấu và độ lớn của nó: $E^\circ$ càng lớn (càng dương) thì dạng oxi hoá $M^{n+}$ của cặp đó càng dễ nhận electron, tức tính oxi hoá của $M^{n+}$ càng mạnh; ngược lại $E^\circ$ càng nhỏ (càng âm) thì dạng khử $M$ càng dễ nhường electron, tức tính khử của kim loại $M$ càng mạnh. Ví dụ $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V nhỏ hơn nhiều so với $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V, nên Zn có tính khử mạnh hơn Cu, còn $Cu^{2+}$ có tính oxi hoá mạnh hơn $Zn^{2+}$.

Thế điện cực chuẩn

E^\circ

(V) của một số cặp oxi hoá – khử, 25 °C.Thế điện cực chuẩn $E^\circ$ (V) của một số cặp oxi hoá – khử, 25 °C.

Ví dụ

So sánh tính khử của Zn và Cu qua thế điện cực chuẩn

1
Biết $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V và $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V. So sánh tính khử của Zn và Cu, tính oxi hoá của $Zn^{2+}$ và $Cu^{2+}$ , và giải thích hiện tượng khi nhúng thanh Zn vào dung dịch $CuSO_4$ .
Biết $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V và $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V. So sánh tính khử của Zn và Cu, tính oxi hoá của $Zn^{2+}$ và $Cu^{2+}$, và giải thích hiện tượng khi nhúng thanh Zn vào dung dịch $CuSO_4$.
2
Ta có $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V $< E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V. Theo quy tắc thế điện cực chuẩn, cặp có $E^\circ$ nhỏ hơn thì dạng khử mạnh hơn. Suy ra Zn có tính khử mạnh hơn Cu; ngược lại $Cu^{2+}$ có tính oxi hoá mạnh hơn $Zn^{2+}$ .
Ta có $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V $< E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V. Theo quy tắc thế điện cực chuẩn, cặp có $E^\circ$ nhỏ hơn thì dạng khử mạnh hơn. Suy ra Zn có tính khử mạnh hơn Cu; ngược lại $Cu^{2+}$ có tính oxi hoá mạnh hơn $Zn^{2+}$.
3
Vì Zn khử mạnh hơn Cu (Zn dễ nhường electron hơn) và $Cu^{2+}$ oxi hoá mạnh hơn $Zn^{2+}$ (dễ nhận electron hơn), nên Zn nhường electron cho $Cu^{2+}$ : $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$ . Do đó thanh Zn tan dần (chuyển thành $Zn^{2+}$ tan vào dung dịch), còn $Cu^{2+}$ bị khử thành Cu kim loại bám lên bề mặt thanh kẽm — đúng như lớp đồng đỏ quan sát được.
Vì Zn khử mạnh hơn Cu (Zn dễ nhường electron hơn) và $Cu^{2+}$ oxi hoá mạnh hơn $Zn^{2+}$ (dễ nhận electron hơn), nên Zn nhường electron cho $Cu^{2+}$: $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$. Do đó thanh Zn tan dần (chuyển thành $Zn^{2+}$ tan vào dung dịch), còn $Cu^{2+}$ bị khử thành Cu kim loại bám lên bề mặt thanh kẽm — đúng như lớp đồng đỏ quan sát được.
4
Vậy Zn có tính khử mạnh hơn Cu; $Cu^{2+}$ có tính oxi hoá mạnh hơn $Zn^{2+}$ ; phản ứng $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$ xảy ra tự phát, giải thích trọn vẹn hiện tượng quan sát được.
Vậy Zn có tính khử mạnh hơn Cu; $Cu^{2+}$ có tính oxi hoá mạnh hơn $Zn^{2+}$; phản ứng $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$ xảy ra tự phát, giải thích trọn vẹn hiện tượng quan sát được.

Ví dụ

Xếp thứ tự tính oxi hoá – khử từ một bảng thế điện cực

1
Cho các giá trị $E^\circ(Ag^{+}/Ag) = +0{,}80$ V, $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44$ V, $E^\circ(Pb^{2+}/Pb) = -0{,}13$ V, $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V. Sắp xếp các kim loại Ag, Fe, Pb, Cu theo chiều tăng dần tính khử, và các ion $Ag^{+}$ , $Fe^{2+}$ , $Pb^{2+}$ , $Cu^{2+}$ theo chiều tăng dần tính oxi hoá.
Cho các giá trị $E^\circ(Ag^{+}/Ag) = +0{,}80$ V, $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44$ V, $E^\circ(Pb^{2+}/Pb) = -0{,}13$ V, $E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V. Sắp xếp các kim loại Ag, Fe, Pb, Cu theo chiều tăng dần tính khử, và các ion $Ag^{+}$, $Fe^{2+}$, $Pb^{2+}$, $Cu^{2+}$ theo chiều tăng dần tính oxi hoá.
2
Ta có bốn giá trị: $-0{,}44 < -0{,}13 < +0{,}34 < +0{,}80$ , tương ứng $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) < E^\circ(Pb^{2+}/Pb) < E^\circ(Cu^{2+}/Cu) < E^\circ(Ag^{+}/Ag)$ .
Ta có bốn giá trị: $-0{,}44 < -0{,}13 < +0{,}34 < +0{,}80$, tương ứng $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) < E^\circ(Pb^{2+}/Pb) < E^\circ(Cu^{2+}/Cu) < E^\circ(Ag^{+}/Ag)$.
3
$E^\circ$ càng nhỏ thì dạng khử càng mạnh, nên tính khử tăng dần: Ag $<$ Cu $<$ Pb $<$ Fe. Ngược lại $E^\circ$ càng lớn thì dạng oxi hoá càng mạnh, nên tính oxi hoá tăng dần: $Fe^{2+} < Pb^{2+} < Cu^{2+} < Ag^{+}$ .
$E^\circ$ càng nhỏ thì dạng khử càng mạnh, nên tính khử **tăng dần**: Ag $<$ Cu $<$ Pb $<$ Fe. Ngược lại $E^\circ$ càng lớn thì dạng oxi hoá càng mạnh, nên tính oxi hoá **tăng dần**: $Fe^{2+} < Pb^{2+} < Cu^{2+} < Ag^{+}$.
4
Vậy tính khử tăng dần theo thứ tự Ag, Cu, Pb, Fe; tính oxi hoá của ion tăng dần theo thứ tự $Fe^{2+}$ , $Pb^{2+}$ , $Cu^{2+}$ , $Ag^{+}$ — đúng bằng thứ tự ngược của dãy kim loại.
Vậy tính khử tăng dần theo thứ tự Ag, Cu, Pb, Fe; tính oxi hoá của ion tăng dần theo thứ tự $Fe^{2+}$, $Pb^{2+}$, $Cu^{2+}$, $Ag^{+}$ — đúng bằng thứ tự ngược của dãy kim loại.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhầm lẫn giữa hai vế: nghĩ rằng " $E^\circ$ càng âm thì tính oxi hoá càng mạnh". Thực ra $E^\circ$ càng âm nghĩa là dạng khử (kim loại) của cặp đó càng mạnh, còn dạng oxi hoá (ion) của chính cặp đó lại càng yếu. Luôn tự hỏi: mình đang so sánh dạng oxi hoá (ion, ứng với $E^\circ$ lớn thì mạnh) hay dạng khử (kim loại, ứng với $E^\circ$ nhỏ thì mạnh) trước khi kết luận.

Nhiều em nhầm lẫn giữa hai vế: nghĩ rằng "$E^\circ$ càng âm thì tính oxi hoá càng mạnh". Thực ra $E^\circ$ càng âm nghĩa là **dạng khử** (kim loại) của cặp đó càng mạnh, còn **dạng oxi hoá** (ion) của chính cặp đó lại càng yếu. Luôn tự hỏi: mình đang so sánh dạng oxi hoá (ion, ứng với $E^\circ$ lớn thì mạnh) hay dạng khử (kim loại, ứng với $E^\circ$ nhỏ thì mạnh) trước khi kết luận.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Cặp oxi hoá – khử $M^{n+}/M$ gắn dạng oxi hoá và dạng khử của cùng một nguyên tố qua bán phản ứng $M^{n+} + ne \rightleftharpoons M$ . Thế điện cực chuẩn $E^\circ$ đo bằng volt, lấy điện cực hydrogen chuẩn ( $E^\circ = 0{,}00$ V) làm mốc: $E^\circ$ càng lớn thì ion $M^{n+}$ oxi hoá càng mạnh, $E^\circ$ càng nhỏ thì kim loại $M$ khử càng mạnh.

Cặp oxi hoá – khử $M^{n+}/M$ gắn dạng oxi hoá và dạng khử của cùng một nguyên tố qua bán phản ứng $M^{n+} + ne \rightleftharpoons M$. Thế điện cực chuẩn $E^\circ$ đo bằng volt, lấy điện cực hydrogen chuẩn ($E^\circ = 0{,}00$ V) làm mốc: $E^\circ$ càng lớn thì ion $M^{n+}$ oxi hoá càng mạnh, $E^\circ$ càng nhỏ thì kim loại $M$ khử càng mạnh.

Cầu nối

Bài sau ta xếp toàn bộ các cặp oxi hoá – khử thường gặp vào một dãy duy nhất — dãy thế điện cực chuẩn — và dùng nó để dự đoán nhanh một phản ứng có xảy ra hay không, thay vì phải nhớ riêng lẻ từng thí nghiệm.