Bài 17. Ôn tập chương 5 – Tóm tắt Hoá học 12

1. Hệ thống kiến thức trọng tâm

1.1 Pin điện hoá

Định nghĩa

Pin điện hoá là thiết bị chuyển hoá năng của phản ứng oxi hoá – khử tự xảy ra thành điện năng. Pin gồm hai điện cực nhúng trong dung dịch chất điện li, nối với nhau bằng dây dẫn ở mạch ngoài và bằng cầu muối giữa hai dung dịch.

Chiều phản ứng ở các điện cực và chiều dòng điện:

Cực dương (cathode): xảy ra quá trình khử; nhận electron từ mạch ngoài.
Cực âm (anode): xảy ra quá trình oxi hoá; nhường electron cho mạch ngoài.
Ở mạch ngoài, electron di chuyển từ cực âm sang cực dương, dòng điện có chiều ngược lại (từ cực dương sang cực âm); cầu muối giúp trung hoà điện tích hai dung dịch.

Sức điện động chuẩn của pin.

Kí hiệu $E^0$ là thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá – khử. Sức điện động chuẩn của pin:

E^0_{\mathrm{pin}} = E^0_{\mathrm{cực\ dương}} - E^0_{\mathrm{cực\ âm}} > 0.

Cặp có $E^0$ lớn hơn làm cực dương (dạng oxi hoá bị khử); cặp có $E^0$ nhỏ hơn làm cực âm (dạng khử bị oxi hoá).

1.2 Nguồn điện hoá học

Pin Galvani (pin điện hoá), ví dụ pin Zn – Cu.
Acquy chì: cực âm là $\mathrm{Pb}$ , cực dương là $\mathrm{PbO_2}$ , dung dịch $\mathrm{H_2SO_4}$ ; có thể sạc lại.
Pin nhiên liệu hydrogen – oxygen: phản ứng tổng $\mathrm{2H_2 + O_2 \to 2H_2O}$ , sản phẩm là nước, ít gây ô nhiễm.
Pin lithium-ion: có thể sạc lại, dùng trong điện thoại, máy tính xách tay, xe điện.

1.3 Điện phân

Định nghĩa

Điện phân là quá trình oxi hoá – khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li. Quá trình này chuyển điện năng thành hoá năng.

Tại các điện cực:

Cathode (nối với cực âm của nguồn điện): xảy ra quá trình khử.
Anode (nối với cực dương của nguồn điện): xảy ra quá trình oxi hoá.

Thứ tự điện phân dung dịch (điện cực trơ)

Ở cathode: cation có tính oxi hoá mạnh hơn bị khử trước (như $\mathrm{Ag^+}$ , $\mathrm{Cu^{2+}}$ , $\mathrm{Ni^{2+}}$ , $\mathrm{Zn^{2+}}$ bị khử thành kim loại). Các cation $\mathrm{K^+, Na^+, Ca^{2+}, Mg^{2+}, Al^{3+}}$ không bị khử, khi đó nước bị khử tạo $\mathrm{H_2}$ và $\mathrm{OH^-}$ (môi trường base).
Ở anode: thứ tự bị oxi hoá $\mathrm{I^- > Br^- > Cl^- > H_2O}$ ; các anion $\mathrm{SO_4^{2-}, NO_3^-}$ không bị oxi hoá, khi đó nước bị oxi hoá thành $\mathrm{O_2}$ và $\mathrm{H^+}$ .
Nếu anode là kim loại không trơ (anode tan), kim loại đó bị oxi hoá, tan dần vào dung dịch.

1.4 Định luật Faraday

Định luật Faraday.

Khối lượng chất thoát ra ở điện cực tỉ lệ thuận với điện lượng đã đi qua bình điện phân. Công thức tính:

m = \frac{M \cdot I \cdot t}{z \cdot F}

với $M$ là khối lượng mol của chất (g/mol), $I$ là cường độ dòng điện (A), $t$ là thời gian điện phân (s), $z$ là số electron trao đổi của một ion hay nguyên tử, $F \approx 96\,500\ \mathrm{C\cdot mol^{-1}}$ .

Quan hệ giữa lượng electron và lượng chất:

n_e = \frac{I \cdot t}{F} = z \cdot n_{\mathrm{chất}} \iff n_{\mathrm{chất}} = \frac{I \cdot t}{z \cdot F}.

2. Phương trình hoá học tiêu biểu

Pin kẽm – đồng:
- Âm $(-)$ : $\mathrm{Zn} \longrightarrow \mathrm{Zn^{2+}} + 2e$ .
- Dương $(+)$ : $\mathrm{Cu^{2+}} + 2e \longrightarrow \mathrm{Cu}$ .
- Phản ứng chung:
  
  $\mathrm{Zn} + \mathrm{Cu^{2+}} \longrightarrow \mathrm{Zn^{2+}} + \mathrm{Cu}.$
  
  $E^0_{\mathrm{pin}} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10\ \mathrm{V}$ .
Điện phân nóng chảy $\mathrm{NaCl}$ :
- Cathode $(-)$ : $\mathrm{Na^+} + e \longrightarrow \mathrm{Na}$ .
- Anode $(+)$ : $2\mathrm{Cl^-} \longrightarrow \mathrm{Cl_2} + 2e$ .
- Phản ứng chung:
  
  $2\mathrm{NaCl}\ (\text{nóng chảy}) \longrightarrow 2\mathrm{Na} + \mathrm{Cl_2}.$
Điện phân dung dịch $\mathrm{NaCl}$ với điện cực trơ, có màng ngăn:
- Cathode $(-)$ : $2\mathrm{H_2O} + 2e \longrightarrow \mathrm{H_2} + 2\mathrm{OH^-}$ .
- Anode $(+)$ : $2\mathrm{Cl^-} \longrightarrow \mathrm{Cl_2} + 2e$ .
- Phản ứng chung:
  
  $2\mathrm{NaCl} + 2\mathrm{H_2O} \longrightarrow \mathrm{Cl_2} + \mathrm{H_2} + 2\mathrm{NaOH}.$
Điện phân dung dịch $\mathrm{CuSO_4}$ với điện cực trơ:
- Cathode $(-)$ : $\mathrm{Cu^{2+}} + 2e \longrightarrow \mathrm{Cu}$ .
- Anode $(+)$ : $2\mathrm{H_2O} \longrightarrow \mathrm{O_2} + 4\mathrm{H^+} + 4e$ .
- Phản ứng chung:
  
  $2\mathrm{CuSO_4} + 2\mathrm{H_2O} \longrightarrow 2\mathrm{Cu} + \mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2SO_4}.$

3. Phương pháp giải một số dạng bài

Dạng 1. Tính sức điện động chuẩn của pin.

1.
Tra bảng thế điện cực chuẩn các cặp oxi hoá – khử tham gia.
2.
Chọn cặp có $E^0$ lớn hơn làm cực dương; cặp còn lại làm cực âm.
3.
Viết quá trình ở hai điện cực; cân bằng số electron rồi cộng lại được phản ứng chung.
4.
Tính $E^0_{\mathrm{pin}} = E^0_{\mathrm{cực\ dương}} - E^0_{\mathrm{cực\ âm}}$ .

Dạng 2. Dự đoán chiều phản ứng oxi hoá – khử.

Dạng oxi hoá của cặp có $E^0$ lớn hơn oxi hoá được dạng khử của cặp có $E^0$ nhỏ hơn, tạo ra dạng khử và dạng oxi hoá tương ứng. Ví dụ: $E^0(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) > E^0(\mathrm{Fe^{2+}/Fe})$ nên $\mathrm{Fe + Cu^{2+} \to Fe^{2+} + Cu}$ .

Dạng 3. Bài toán điện phân và định luật Faraday.

1.
Viết quá trình ở cathode (khử) và anode (oxi hoá).
2.
Tính số mol electron: $n_e = \dfrac{I \cdot t}{F}$ .
3.
Tính $n_{\mathrm{chất}} = \dfrac{n_e}{z}$ ; nếu cần thì chuyển sang khối lượng hoặc thể tích khí.
4.
Nếu nhiều chất có thể phản ứng ở một điện cực, xác định thứ tự điện phân như đã nêu.

4. Ví dụ minh hoạ

Ví dụ 1

Cho pin gồm điện cực $\mathrm{Al}$ nhúng trong dung dịch $\mathrm{Al(NO_3)_3}$ và điện cực $\mathrm{Pb}$ nhúng trong dung dịch $\mathrm{Pb(NO_3)_2}$ . Biết $E^0(\mathrm{Pb^{2+}/Pb}) = -0{,}13\ \mathrm{V}$ , $E^0(\mathrm{Al^{3+}/Al}) = -1{,}66\ \mathrm{V}$ . Xác định cực dương, cực âm; viết phản ứng chung và tính $E^0_{\mathrm{pin}}$ .

Lời giải · 2 bước

Vì $-0{,}13 > -1{,}66$ nên điện cực $\mathrm{Pb}$ là cực dương ( $\mathrm{Pb^{2+}}$ bị khử), điện cực $\mathrm{Al}$ là cực âm ( $\mathrm{Al}$ bị oxi hoá).

\text{Dương }(+): \mathrm{Pb^{2+}} + 2e \longrightarrow \mathrm{Pb}\quad (\times 3).

\text{Âm }(-): \mathrm{Al} \longrightarrow \mathrm{Al^{3+}} + 3e\quad (\times 2).

Bước 2

Phản ứng chung: $3\mathrm{Pb^{2+}} + 2\mathrm{Al} \longrightarrow 3\mathrm{Pb} + 2\mathrm{Al^{3+}}$ .

E^0_{\mathrm{pin}} = -0{,}13 - (-1{,}66) = 1{,}53\ \mathrm{V}.

Ví dụ 2

Điện phân nóng chảy $\mathrm{NaCl}$ với dòng điện $10\ \mathrm{A}$ trong $965$ giây. Tính khối lượng sodium và thể tích khí chlorine (đkc) thu được (hiệu suất $100\%$ , lấy $F = 96\,500$ C/mol).

Lời giải · 3 bước

n_e = \frac{I \cdot t}{F} = \frac{10 \cdot 965}{96\,500} = 0{,}10\ \mathrm{mol}.

Bước 2

Cathode: $\mathrm{Na^+ + e \to Na}$ ; anode: $\mathrm{2Cl^- \to Cl_2 + 2e}$ . Suy ra:

n_{\mathrm{Na}} = 0{,}10\ \mathrm{mol};\quad n_{\mathrm{Cl_2}} = \frac{0{,}10}{2} = 0{,}05\ \mathrm{mol}.

Bước 3

Do đó:

m_{\mathrm{Na}} = 0{,}10 \times 23 = 2{,}3\ \mathrm{g};\quad V_{\mathrm{Cl_2}} = 0{,}05 \times 24{,}79 \approx 1{,}24\ \mathrm{L}.

Ví dụ 3

Điện phân $\mathrm{200\ mL}$ dung dịch $\mathrm{CuSO_4}$ (dư) với điện cực trơ, dòng điện $2\ \mathrm{A}$ trong $30$ phút. Tính khối lượng đồng bám ở cathode.

Lời giải · 2 bước

$t = 30 \times 60 = 1800\ \mathrm{s}$ . Số mol electron:

n_e = \frac{2 \times 1800}{96\,500} \approx 0{,}0373\ \mathrm{mol}.

Bước 2

Ở cathode: $\mathrm{Cu^{2+}} + 2e \longrightarrow \mathrm{Cu}$ . Vậy:

n_{\mathrm{Cu}} = \frac{n_e}{2} \approx 0{,}01865\ \mathrm{mol}.

m_{\mathrm{Cu}} \approx 0{,}01865 \times 64 \approx 1{,}19\ \mathrm{g}.

5. Lưu ý nhằm tránh nhầm lẫn

Lưu ý

Ở cả pin điện hoá và bình điện phân, cathode là nơi xảy ra sự khử, anode là nơi xảy ra sự oxi hoá. Nhưng dấu khác nhau: trong pin, cathode là cực dương; trong điện phân, cathode nối với cực âm của nguồn.
Điện phân nóng chảy không có nước, chỉ có các ion của chất điện li.
Điện phân dung dịch $\mathrm{NaCl}$ phải có màng ngăn để thu $\mathrm{NaOH}$ ; nếu không, $\mathrm{Cl_2}$ phản ứng với $\mathrm{NaOH}$ tạo nước Javel.
Tính $E^0_{\mathrm{pin}}$ phải lấy $E^0$ của cực dương trừ đi $E^0$ của cực âm; kết quả luôn dương.
$Q = I \cdot t$ tính bằng coulomb; nếu $t$ cho bằng phút, giờ thì phải đổi sang giây trước khi áp dụng định luật Faraday.
Thể tích khí ở đkc ( $25\,^\circ\mathrm{C}$ , $1$ bar): $V = n \times 24{,}79$ L.

Nhớ nhanh

1. Hệ thống kiến thức trọng tâm

1.1 Pin điện hoá

1.2 Nguồn điện hoá học

1.3 Điện phân

1.4 Định luật Faraday

2. Phương trình hoá học tiêu biểu

3. Phương pháp giải một số dạng bài

4. Ví dụ minh hoạ

5. Lưu ý nhằm tránh nhầm lẫn