Bài giảng Hóa đại cương: Điện hóa học

Chương XIII

ĐIỆN HÓA HỌC

Giảng viên: ThS. Nguyễn Minh Kha

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

PHAÛN ÖÙNG OXY HOÙA – KHÖÛ VAØ DOØNG ÑIEÄN

Phaûn öùng oxy hoùa – khöû (O – K)

Phaûn öùng trong ñoù coù söï trao ñoåi electron giöõa caùc nguyeân töû cuûa nhöõng nguyeân toá tham gia phaûn öùng laøm thay ñoåi soá oxy hoùa caùc nguyeân toá.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Quaù trình cho electron goïi laø quaù trình oxy hoùa, chaát cho electron goïi laø chaát khöû (chaát bò oxy hoùa).  Ví duï:

Zn – 2e  Zn+2

 Quaù trình nhaän electron goïi laø quaù trình khöû, chaát

nhaän electron goïi laø chaát oxy hoùa.  Ví duï:

Cu+2 + 2e  Cu

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Phản ứng tổng quaùt:

Qt oxh:

KhI OxII Qt khöû: Pt oxh – kh: KhI

 OxI + ne  KhII + OxII  OxI

KhII

 Caëp oxy hoùa – khöû: OxI/KhI , OxII/KhII

 Ví duï:

 Zn2+ +

Qt oxh:

Cu2+ + 2e  Cu

Qt khöû:

+ Cu2+ → Zn2+

Pt oxh – kh:

Pt phaân töû:

Zn + CuSO4

→ ZnSO4 + Cu

Caëp oxy hoaù khöû:

Zn2+/Zn; Cu2+/Cu

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Caân baèng phaûn öùng O – K

 Nguyeân taéc 1:

 Toång soá electron cho cuûa chaát khöû phaûi baèng

toång soá electron chaát oxy hoùa nhaän vaøo.

 Caùc böôùc tieán haønh caân baèng.

 Böôùc 1: Xaùc ñònh söï thay ñoåi soá oxy hoùa cuûa caùc

chaát.

 Böôùc 2: Laäp phöông trình electron – ion, vôùi heä

soá sao cho ñuùng qui taéc treân.

 Böôùc 3: Thieát laäp phöông trình ion cuûa phaûn öùng.  Böôùc 4: Caân baèng theo heä soá tæ löôïng.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Ví duï: Al

+ CuSO4  Al2(SO4)3 + Cu

- 3e

 Al+3

X2

Cu+2 + 2e

 Cu

X3

2Al

+ 3Cu+2

= 2Al+3

3Cu

2Al + 3CuSO4  2Al2(SO4)3 + 3Cu

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Nguyeân taéc 2 (moâi tröôøng acid)

 Ñoái vôùi phaûn öùng O – K xaûy ra trong moâi tröôøng acid neáu daïng Ox cuûa chaát Ox coù chöùa nhieàu nguyeân töû Oxy hôn daïng khöû cuûa noù thì phaûi theâm H+ vaøo veá traùi (daïng Ox) vaø theâm nöôùc vaøo veá phaûi (daïng khöû).

 Neáu daïng khöû cuûa chaát Kh chöùa ít nguyeân töû Oxy hôn daïng Ox cuûa noù thì theâm nöôùc vaøo veá traùi (daïng Kh) vaø H+ vaøo veá phaûi (daïng Ox).

Thieáu O beân naøo, theâm H2O beân ñoù, beân kia theâm H+

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Ví duï:

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Nguyeân taéc 3: (moâi tröôøng base)

 Phaûn öùng O – K xaûy ra trong moâi tröôøng base, neáu daïng Ox cuûa chaát Ox chöùa nhieàu Oxy hôn daïng khöû thì phaûi theâm nöôùc vaøo veá traùi, OH- vaøo veá phaûi.

 Neáu daïng Kh cuûa chaát Kh chöùa ít Oxy hôn daïng Ox cuûa noù thì phaûi theâm OH- vaøo veá traùi, nöôùc vaøo veá phaûi.

Thieáu O beân naøo theâm OH- beân ñoù, beân kia laø H2O.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Ví duï:

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Nguyeân taéc 4: (moâi tröôøng trung tính)

 Phaûn öùng O-K trong moâi tröôøng trung tính. Neáu daïng Ox cuûa chaát Ox chöùa nhieàu nguyeân töû Oxy hôn daïng Kh cuûa noù thì phaûi theâm nöôùc vaøo veá traùi, OH- vaøo veá phaûi.

 Neáu daïng Kh cuûa chaát Kh chöùa ít nguyeân töû Oxy hôn daïng Ox cuûa noù thì phaûi theâm nöôc vaøo veá traùi, H+ vaøo veá phaûi.

Theâm nöôùc veá traùi, veá phaûi theâm: OH- neáu qt nhận

electron, H+ neáu qt cho electron.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Ví duï:

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Cách tiến hành phản ứng oxyhoá khử

Trực tiếp - chất OXH tiếp xúc KH Hoá năng pư  nhiệt năng

Cu(s) + 2 Ag+(aq) ---> Cu 2+(aq) + 2Ag(s)

e-

Maøng ngaên

e-

Gián tiếp – chất OXH không tiếp xúc trực tiếp với chất KH

e-

Hóa năng pư  điện năng

Chaát khöû

Chaát oxh

Cathode

Anode

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

NGUYEÂN TOÁ GALVANIC VAØ ÑIEÄN CÖÏC

 Nguyeân toá galvanic (1780):

 Laø thieát bò chuyeån hoùa naêng sang ñieän naêng. Caáu taïo goàm hai thanh kim loaïi, nhuùng trong dung dòch muoái cuûa noù, noái vôùi nhau qua sôïi daây daãn kim loaïi.

Luigi Galvani (Italia)

 Hai

thanh kim loaïi naøy moät thanh coù tính khöû maïnh hôn (ñeå cho e) moät thanh coù tính khöû yeáu hôn (ñeå ion cuûa noù nhaän e).

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG NGUYÊN TỐ GANVANIC

Mật độ e trên thanh Zn nhiều hơn thanh đồng

0(Zn2+/Zn) < 0(Cu2+/Cu)

Zn2+

SO4 -

e  Zn sang Cu

Zn

Cu

Cu2+(dd) +2e ⇌

Zn2+ (dd) +2e ⇌ 



Zn + Cu2+ (dd) = Zn2+ (dd) + Cu

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

KÝ HIỆU NGUYÊN TỐ GANVANIC

(-) Điện cực(1)|dd(1)||dd(2)|Điện cực(2) (+)

Zn -2e  Zn2+(dd)

Cu2+(dd) +2e  Cu

Quá trình khử

Quá trình oxyhoá

Catod(+)

Anod (-)

(-) Zn | Zn2+ (dd) || Cu2+(dd) | Cu (+) n+(dd)| M2 (+) (-) M1| M1

https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com

n+(dd)|| M2 -

< +

CÁC LOẠI ĐIỆN CỰC

a. Điện cực kim loại.

Zn Zn2+(dd)

Zn2+(dd) +2e ⇌ Zn

b. Điện cực kim loại phủ muối

AgAgCl Cl-(dd)

AgCl +1e ⇌ Ag + Cl-(dd)

c. Điện cực khí

2H+(dd) +2e ⇌ H2

Pt ,H2 H+ (dd) d. Điện cực oxy hóa - khử.

Pt  Fe2+(dd), Fe3+dd)

Fe3+(dd) +1e ⇌ Fe2+(dd)

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

ỨNG DỤNG: Lập pin trong đó xảy ra các phản ứng sau

Cd (r) + Cu2+ (dd) = Cd2+ (dd) + Cu (r)

H2(k) + Cl2(k) = 2HCl (dd)

Zn (r ) + 2Fe3+ (dd) = Zn2+(dd) + 2Fe2+ (dd)

2H+(dd) + 2Hg(l) +2Cl-(dd) = H2(k) + Hg2Cl2(r)

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

THEÁ ÑIEÄN CÖÏC

 Theá ñieän cöïc  (V), hay coøn goïi laø theá Oxy hoùa – Khöû, hay laø baùn theá phaûn öùng, laø moät ñaïi löôïng khoâng theå ño tröïc tieáp, maø phaûi so saùnh vôùi moät ñieän cöïc chuaån.

 Ngöôøi ta choïn Hydro laøm ñieän cöïc chuaån:

2H+(dd) + 2e  H2 (k), ñieän cöïc laø platinum. Quy öôùc: 0

H2 = 0 (V). (Theá ñieän cöïc tuyeät ñoái

cuûa noù öôùc chöøng 4.4 – 4.6 V)

 Vaäy theá ñieän cöïc laø moät ñaïi löôïng baèng theá hieäu

cuûa noù so vôùi ñieän cöïc hydro tieâu chuaån.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Điện cực Hydro tiêu chuẩn

Pt | H2 | H+(dd)

0 H

/ H2 = 0 ; [H+] =1mol/l,

PH2 =1atm

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Cách xác định thế điện cực

Thế điện cực của một điện cực bất kỳ bằng thế hiệu của nó so với điện cực Hydro tiêu chuẩn.

E0 = 0

đc - 0

hydro

E0 = 0

đc

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

0 ( Cu2+/Cu) = 0,34V

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

0( Zn2+/Zn) = - 0,76V

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Phöông trình Nernst:

Kh –ne  Ox, 

Vôùi a laø hoaït ñoä. Hoaït ñoä cuûa caùc kim loaïi tinh khieát (vaø caû loûng tinh khieát) coi nhö baèng 1. Vôùi dung dòch thaät (söû duïng C) ôû nhieät ñoä 298K, ta coù (R=8.314, T=298, F=96500):

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

  phuï thuoäc vaøo baûn chaát chaát tham gia quaù trình ñieän cöïc (0, n), nhieät ñoä T, noàng ñoä chaát tham gia quaù trình ñieän cöïc C.

 Ta coù:

G = -nF, hay G0 = -nF0

 Sau ñaây laø baûng theá ñieän cöïc tieâu chuaån cuûa moät

soá baùn phaûn öùng (Theá Ox-Kh).

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Zn2+(aq) + 2e− → Zn(s)

−0.76

0 (V)

Cr3+(aq) + 3e− → Cr(s)

−0.74

Baùn phaûn öùng 1bar, 298K, Ci = 1M

Fe2+(aq) + 2e− → Fe(s)

−0.44

Li+(aq) + e− → Li(s)

−3.05

Cr3+(aq) + e− → Cr2+(aq)

−0.42

K+(aq) + e− → K(s)

−2.93

Sn2+(aq) + 2e− → Sn(s)

−0.13

Ba2+(aq) + 2e− → Ba(s)

−2.91

0.00 Ca2+(aq) + 2e− → Ca(s)

−2.76

2H+(aq) + 2e− → H2(g) Sn4+(aq) + 2e− → Sn2+(aq)

+0.15

Na+(aq) + e− → Na(s)

−2.71

Cu2+(aq) + e− → Cu+(aq)

+0.16

Mg2+(aq) + 2e− → Mg(s)

−2.38

SO4

+0.17

Be2+(aq) + 2e− → Be(s)

−1.85

2−(aq) + 4H+ + 2e− → 2H2O(l) + SO2(aq) Cu2+(aq) + 2e− → Cu(s)

+0.34

Al3+(aq) + 3e− → Al(s)

−1.68

Ti3+(aq) + 3e− → Ti(s)

−1.21

O2(g)+2H2O(l)+4e– → 4OH–(aq) +0.40

Mn2+(aq) + 2e− → Mn(s)

−1.18

SO2(aq)+4H++4e−→S(s)+ 2H2O +0.50

−1.07

Sn(s) + 4H+ + 4e− → SnH4(g)

Cu+(aq) + e− → Cu(s)

+0.52

2 H2O(l)+2e–→H2(g)+2OH–(aq) −0.83

+0.54

I2(s) + 2e− → 2I−(aq)

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

MnO4

–(aq) + 2H2O(l) + 3e– →

+1.09

+0.59

MnO2(s) + 4 OH–(aq)

−(aq) + 12H+ + 10e− → I2(s)

+1.20

S2O3

+0.60

2− + 6H+ + 4e− → 2S(s) + 3H2O

+1.20

−(aq) + 2H+ + 2e− → −(aq) + H2O

+0.70

O2(g) + 2H+ + 2e− → H2O2(aq)

+1.23

Fe3+(aq) + e− → Fe2+(aq)

+0.77

+1.23

2+(aq) + 2e− → 2Hg(l)

+0.80

Hg2

Ag+(aq) + e− → Ag(s)

+0.80

+1.36

2−(aq) + 14H+ + 6e− →

NO3

+0.80

+1.36

–(aq) + 2H+(aq) +e– → NO2(g) + H2O(l)

−(aq) + 8H+ + 5e− →

Hg2+(aq) + 2e− → Hg(l)

+0.85

+1.51

MnO4

+0.90

−(aq) + H+ + e− → −(aq)

+1.63

HMnO4

2+(aq)

+0.91

2Hg2+(aq) + 2e− → Hg2

−(aq) + 4H+ + 3e− →

+1.70

MnO2(s) + 4H+ + e− → Mn3+(aq)

+0.95

+ 2H2O

+1.76

Br2(aq) + 2e− → 2Br−(aq) 2IO3 + 6H2O ClO4 ClO3 O2(g) + 4H+ + 4e− → 2H2O MnO2(s) + 4H+ + 2e− → Mn2+(aq) + 2H2O Cl2(g) + 2e− → 2Cl−(aq) Cr2O7 2Cr3+(aq) + 7H2O MnO4 Mn2+(aq) + 4H2O 2HClO(aq) + 2H+ + 2e− → Cl2(g) + 2H2O MnO4 MnO2(s) + 2H2O H2O2(aq) + 2H+ + 2e− → 2H2O

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

SÖÙC ÑIEÄN ÑOÄNG CUÛA NGUYEÂN TOÁ GALVANIC

 Theá hieäu cöïc ñaïi xuaát hieän giöõa hai cực của laø söùc ñieän ñoäng cuûa nguyeân toá ganvanic goïi nguyeân toá ganvanic, khi maø nguyeân toá galvanic hoaït ñoäng T – N.

 Kí hieäu:

 Söùc ñieän ñoäng tieâu chuaån cuûa nguyeân toá galvanic.

E0 ño ôû p = 1 atm, CM (hay a) = 1; T = 298K.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

aKh1 + bOXH2 cOXH1 + dKh2

-G = A’ = nFE

G0 = -nFE0

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Ví duï tính haèng soá caân baèng

Tính hằng soá caân baèng cuûa phaûn öùng:

Ñöôïc taïo thaønh bôûi 2 baùn phaûn öùng sau:

o=1.700V o=0.767V

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

CHIEÀU CUÛA QUAÙ TRÌNH O – K

 Xeùt caùc caëp O-K: Ox1/Kh1 , Ox2/Kh2

Kh1  Ox1 + ne , 1 Kh2  Ox2 + ne , 2

Khi troän caùc caëp naøy, seõ coù phaûn öùng:

Kh1 + Ox2  Ox1 + Kh2

Phaûn öùng xaûy ra theo chieàu thuaän khi:

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Quy taéc xeùt chieàu phaûn öùng:

 “Phaûn öùng O – K xaûy ra theo chieàu daïng Ox cuûa caëp O – K coù  lôùn hôn seõ Ox daïng Kh cuûa caëp O – K coù  nhoû hôn”.

 Thöïc teá coù theå duøng 0 ñeå xeùt.  Nhöng khi  0

+ - 0

- beù quaù thì phaûi tính toaùn treân .

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Ví duï vôùi phaûn öùng trong nguyeân toá galvanic:

Zn + Cu+2 = Zn+2 + Cu

Vôùi + laø cuûa caëp Cu+2/Cu vaø - laø cuûa caëp Zn+2/Zn, ta coù

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Epin = + -  - = Cu - Zn

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

PIN NỒNG ĐỘ

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

(-)Cu| Cu2+; 0,1M || 1,0M ; Cu2+ |Cu (+)

ở 250C

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

ỨNG DỤNG

Khi ghép một tấm bạc trong dung dịch bão hòa

AgBr và một tấm bạc khác trong dung dịch

AgNO3 0,01M ta được pin nồng độ có suất điện

động ở 250C là 0,245V.

Hãy tính tích số tan của AgBr ở 250C.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

SÖÏ ÑIEÄN PHAÂN

 ÑIEÄN PHAÂN DUNG DÒCH CHAÁT ÑIEÄN LY TRONG NÖÔÙC  Ñònh nghóa:

 Söï ñieän phaân laø quaù trình O – K xaûy ra treân beà maët ñieän cöïc khi cho doøng ñieän moät chieàu ñi qua dung dòch chaát ñieän ly hoaëc qua chaát ñieän ly noùng chaûy vaø coù laøm theo söï bieán ñoåi nhieät naêng thaønh hoùa naêng.

 ÔÛ ñaây ta xeùt quaù trình ñieän phaân moät dung dòch

chaát ñieän ly trong nöôùc.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Caùc quaù trình Cathode  ÔÛ ñaây daïng Ox chính laø caùc cation kim loaïi vaø hydro cuûa dung dòch chaát ñieän ly. Ta caàn so saùnh theá ñieän cöïc cuûa kim loaïi vaø hydro. H2 = -0.059pH = -0.059x7 = -0.41 V  Töùc laø ôû ñieàu kieän trung tính, H2 = -0.41 V.

 Neáu kl > H2 kim loaïi keát tuûa: Phaàn cuoái daõy.  Neáu kl < H2  H2 : Phaàn ñaàu daõy.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Trong moâi tröôøng acid:  2H+ + 2e  H2 

 Trong moâi tröôøng trung tính hay base:

 2H2O + 2e  H2  + 2OH-

Neáu kl -0.41 thì tuøy vaøo noàng ñoä vaø ñieàu kieän tieán haønh (khoaûng giöõa daõy).

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Caùc quaù trình anode  Daïng khöû laø anion, goác axit vaø OH- cuûa dung dòch, vaø tuøy theo vaät lieäu, ñieän cöïc coù theå bò aên moøn: Coù anod trô (graphit, platin….) vaø anod tan (Ni…..).

Anode tan  Hoaëc anode phoùng ñieän, hoaëc hoøa tan anode. Neáu kim loaïi anode coù  nhoû hôn  caëp O – K thì anode bò hoøa tan. M –ne  M+n

 Ngöôïc laïi A- hoaëc OH- bò oxy hoùa.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Anode trô

 Khaû naêng cho electron theo thöù töï:

 Anion khoâng chöùa Oxy: I-, Br-, Cl-, S-2…  Keá ñeán laø OH-.

4OH- – 4e  O2 + 2H2O (moâi tröôøng kieàm). 2H2O – 4e  O2 + 4H+ (moâi tröôøng acid hay trung

-2…

 Anion chöùa Oxy: SO4

tính). -2, MnO4

-, SO3

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Moät soá ví duï

 Ñieän phaân CuCl2, anode trô

 Cathode

 Anode

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt



 Ñieän phaân dung dòch K2SO4 vôùi anod trô  H+ bò khöû.

Cathode:

- khoâng bò Ox, nöôùc (OH-) bò Ox.

Anode: SO4

Hay noùi khaùc ñi ñaây laø quaù trình ñieän phaân nöôùc.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Ñieän phaân dung dòch nöôùc NiSO4 vôùi anod Ni tan

  Nhöng NiSO4 toàn taïi trong moâi tröôøng acid, neân:

 Do ñoù, ôû cathode

 Vaø anode

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Theá phaân giaûi vaø quaù theá

 Theá phaân giaûi laø theá hieäu toái thieåu caàn thieát ñeå

tieán haønh quaù trình ñieän phaân ñaõ cho.

 Kyù hieäu: Ep

 Noùi chung vôùi nhöõng heä T – N thì Ep baèng söùc ñieän ñoäng cuûa nguyeân toá galvanic taïo thaønh töø saûn phaåm ñieän phaân.

 Hieäu soá giöõa theá phaân giaûi vaø söùc ñieän ñoäng cuûa nguyeân toá galvanic töông öùng phaûn öùng nghòch goïi laø quaù theá ñieän phaân: 0 = Ep - E.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

Ñònh luaät Faraday

 Löôïng

chaát

ñöôïc

taïo thaønh hay hoøa tan ôû ñieän leä cöïc khi ñieän phaân tæ thuaän vôùi löôïng ñieän ñi qua chaát ñieän ly.

Michael Faraday

 Nhöõng löôïng ñieän baèng nhau seõ taïo thaønh hay hoøa tan ôû ñieän cöïc khi ñieän phaân nhöõng ñöông löôïng nhö nhau cuûa caùc chaát.

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt

 Coâng thöùc cho ñònh luaät

m = (AIt)/(nF) hay m = (ÑAq)/F

 F: Haèng soá Faraday baèng 96500 (coulomb)  m: khoái löôïng chaát ñieän phaân ra.  ÑA: Ñöông löôïng gam cuûa A.  A: Nguyeân töû gam cuûa A.  n: Hoùa trò chaát bieán ñoåi.  I: Cöôøng ñoä doøng ñieän (Ampe)  t: Thôøi gian ñieän phaân (sec)

CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt