Bài giảng Hóa học 1: Chương 11 - TS. Nguyễn Văn Bời

ươ

Ọ

Ệ

ng 11: ĐI N HÓA H C

ệ

ọ Đi n hóa h c

ử

ố

Gavani

ậ

ứ ố ượ ng nghiên c u 11.1 Đ i t ử ả ứ 11.2 Ph n ng oxy hóa kh ả ứ ằ 11.3 Cân b ng ph n ng oxy hóa –Kh ế ệ ự 11.4 Th đi n c c 11.5 Nguyên t ự ệ 11.6 S đi n phân ị 11.7 Đ nh lu t Faraday

Ố ƯỢ

Ứ

11.1 Đ I T

NG NGHIÊN C U

Ố ƯỢ

Ứ

Đ I T

NG NGHIÊN C U

ả ứ ả ứ

ử ử

ặ ặ

liên ử liên ử

ả ứ

ử

11.2.Ph n ng oxy hóa – kh và c p oxi hóa kh 11.2.Ph n ng oxy hóa – kh và c p oxi hóa kh h pợh pợ 11.2.1 Ph n ng oxy hóa – kh

S ố oxy hóa

Ả Ứ

Ổ

PH N NG TRAO Đ I ELECTRON

ự

ự ử S kh ố (s oxy hóa gi m)ả

S oxy hóa (s ố oxy hóa tăng)

ườ

ng e =

ậ Nh n e =

ự

s oxy hóa

ử

S khự

ả ứ ả ứ

ử ử

Ph n ng oxy hóa – kh Ph n ng oxy hóa – kh

ả ứ

ử

Ph n ng oxy hóa – kh

ậ

ụ

Ả Ứ Ổ PH N NG TRAO Đ I ELECTRON

ườ ng electron

ữ – nh ố

ậ

ấ ậ

ộ ố M t s thu t ng thông d ng: • S oxy hóa ự tăng s oxy hóa • S khự ử – nh n electron ố ả gi m s oxy hóa • Ch t oxy hóa

– nh n electron

ườ • Ch t khấ ử – nh ng electron

ả ứ ả ứ

ử ử

Ph n ng oxy hóa – kh Ph n ng oxy hóa – kh

ả ứ

ử

Ph n ng oxy hóa – kh

ả

ằ 11.3 Cân b ng ph n ngứ Cu (s) + Ag+ (aq) (cid:0)

Cu2+ (aq) + Ag (s)

ả ứ

ị

Ag

cướ 1: Xác đ nh bán ph n ng oxi hóa và kh : ử Cu2+ + 2e-

RED: Ag+ + e- (cid:0) OX: Cu (cid:0)

Cu2+ + 2e

cướ 3:

2 Ag

Cu (cid:0) 2 Ag+ + 2 e (cid:0)

Cu2+ (aq) + 2Ag (s)

cướ 4:Cu (s) + 2 Ag+ (aq) (cid:0) B

ươ ằ cướ 2:Cân b ng các bán ph ng trình

ệ ự 11.4 Đi n c c ệ ự 11.4 Đi n c c

ộ ệ ồ

ẫ

ộ

ệ ớ

ế

ệ ự ặ ạ ứ

ộ ặ

ử

ợ

Đi n c c: là m t h g m m t thanh d n đi n ( kim lo i ho c phi kim nh than chì…) ti p xúc v i dung ị d ch ch a m t c p oxi hóa kh liên h p.

ẫ

ộ

Ví d :ụ Khi nhúng ệ m t thanh d n đi n

ệ ệ

ượ

c m t đi n

ấ vào dd ch t đi n ly ộ ta đ c cự

ạ ạ

ổ ế ệ ự .Các lo i đi n c c ph bi n ổ ế ệ ự .Các lo i đi n c c ph bi n

ệ ự

ọ

Đi n c c kim l ai – ion kim l ai (đi n c c tan)

ệ ự

Đi n c c khí – ion

ệ ự

ọ

ố

Đi n c c kim l ai – anion mu i không tan

ơ

ệ ự Đi n c c tr

ệ ự ệ ự

ọ ọ

11.4.1 Đi n c c kim l ai – ion kim l ai (đi n c c 11.4.1 Đi n c c kim l ai – ion kim l ai (đi n c c tan) tan)

ườ ng đ t M ( r) ượ c | Mn+

ồ ọ ộ G m m t kim l ai ớ ế ti p xúc v i ion ủ c a nó trong dung d chịĐi n c c th ệ ự ệ ắ ký hi u t (dd) Ví d : Đi n c c đ ng

ệ ự ồ ụ

Cu (r) | Cu2+

Quá trình xãy ra Cu2e ⇋ Cu2+

ệ ự 11.4.2 Đi n c c khí – ion ệ ự 11.4.2 Đi n c c khí – ion

ủ

ế

ấ

ớ

Ch t khí ti p xúc v i cation c a nó

H+ (dd) | H2(k) | Pt (r)

Quá trình xãy ra

2H+ (dd) + 2e H⇋ 2(k)

0C ta

ấ ế

ằ 2 b ng 1 ệ ộ t đ 25 ẩ

N u áp su t khí H atm, a H+=1M, nhi ệ ự có đi n c c tiêu chu n hydro (E=0)

ọ ọ

ố ố

ủ ủ

ệ ự ệ ự

ờ

ứ

ố

11.4.3 Đi n c c kim l ai – anion mu i không tan c a 11.4.3 Đi n c c kim l ai – anion mu i không tan c a klo iạklo iạ ạ ế Kim lo i ti p xúc ố ớ v i mu i không tan ồ ủ c a nó đ ng th i ớ ế ti p xúc v i dung ị d ch ch a mu i tan cùng anion.

I(dd) | AgI(r ) |Ag (r )

AgI (r ) + 1e ⇋ Ag (r) + I (dd)

ệ ự ệ ự

ơ ơ

11.4.4. Đi n c c tr 11.4.4. Đi n c c tr

ộ ồ ạ ơ ế ớ

ứ ỗ ấ ố ử ợ ạ ư G m m t thanh kim lo i tr (nh Pt) ti p xúc v i hai dd ch t có tr ng ụ 2+, Fe3+) thái oxy hóa –kh khác nhau ( ví d dd ch a h n h p 2 mu i Fe

Fe3+,Fe2+(dd)|Pt(r )

Fe2+ 1e ⇋ Fe3+

ố ố

ệ 11.5 Pin đi n (Nguyên t ệ 11.5 Pin đi n (Nguyên t

Ganvani) Ganvani)

ộ ệ ồ ệ ự ố ớ ạ ộ

Là m t h g m 2 đi n c c ghép n i v i nhau thành m t m ch kín

() Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s) (+) Ecell = 1.103 V

ể

ố

ễ Cách bi u di n nguyên t

Ganvani

ệ ự ở

đó xãy ra quá trình oxi hóa

Zn2+

ệ ự ở

ử

đó xãy ra quá trình kh

ể

Cu ố Ganvani

ữ

ượ

ế

ẩ t bên trái, catot đ

t bên

c vi

• Anot là đi n c c Zn (r ) 2e (cid:0) • Catot là đi n c c Cu2+ + 2e (cid:0) ễ Cách bi u di n nguyên t ấ ể ỉ ự Dùng ký hi u ệ |đ ch s phân cách gi a hai pha; các ch t ể ỉ ấ ộ trong cùng m t pha dùng d u ph y (, );dùng | | đ ch ế ố ầ c u mu i; anot đ ph iả

() Zn(r) | Zn2+ (dd) || Cu2+(dd) | Cu(r) (+)

ế ệ ự 11.6 Th đi n c c ế ệ ự 11.6 Th đi n c c

ế ệ ự

ẩ

11.6.1 Th đi n c c tiêu chu n

ế ệ ự ộ ệ

ẩ ủ ộ

ệ ự

ủ ử

ẩ

ử ộ ặ Th đi n c c tiêu chu n c a m t c p oxy hoá kh là ẩ ủ ở ạ ứ s c đi n đ ng c a m t pin t o b i đi n c c chu n c a ệ ự ớ ặ c p oxy hoá kh đó v i đi n c c hidro chu n

ế ệ ự

ẩ

Th đi n c c tiêu chu n

ị

ẩ ượ

ế ệ ự

ệ

ệ ự

ườ

2H+/H2= 0 ườ i ta th

ng dùng đi n đi n c c calomen

ệ

ủ

ộ

ế ệ ự

ẩ

ệ ự ệ ự

ớ ẩ ủ

ằ

• Th đi n c c hydro tiêu chu n đ ể c bi u th Pt(r)| H2 (k, 1atm)| H+ (1M) khi là anot H+ (1M) | H2 (k, 1atm)| Pt(r) khi là catot E0 • Hi n nay ng ệ ệ ự ệ ự làm đi n c c so sánh thay cho đi n c c hydro.Đi n ạ ế ạ ừ ự kim lo i th y ngân tr n calomen c c này ch t o t ị Hg2Cl2 trong dung d ch KCl ½ Hg2Cl2 (r ) + 1e ⇋ Hg ( l) + Cl (dd) So v i đi n c c tiêu chu n hydro th đi n c c chu n c a đi n c c calomen b ng + 0, 2680V

ế ệ ự ế ệ ự ế ệ ự ế ệ ự

ẩ ở 00CC ẩ ở ẩ ở 00CC ẩ ở 25 25 25 25

B ng th đi n c c tiêu chu n B ng th đi n c c tiêu chu n B ng th đi n c c tiêu chu n B ng th đi n c c tiêu chu n ử

ả ả ả ả ả ứ Bán ph n ng kh

O x i

K h ử h ó a

y ế u

h ó a m ạ n h

m ạ n h

K h ử h ó a

O x i

h ó a

y ế u Slide 20 of 48

ế ệ ự

ủ

ử

ẩ

11.6.2 Ý nghĩa c a th đi n c c kh tiêu chu n

ộ ạ ộ ạ ấ ấ 1) So sánh đ m nh các ch t oxy hoá và đ m nh các ch t

ế ệ ự

ủ ạ

ử

ế

ạ

ợ

ớ Th đi n c c kh càng l n thì tính oxi hóa c a d ng oxi ử ủ ạ hóa càng m nh, tính kh c a d ng liên h p càng y u

ớ

Ví d : ụ Fe3+ + e (cid:0) Cu2+ + 2e (cid:0) Tính oxi hóa c a Feủ

Fe2+ E0 = + 0,71V Cu0 E0 = + 0,337V ạ 3+ l n h n m nh h n Cu ơ

ơ ạ ớ

ủ ồ

ử ủ

2+, tính ử ủ kh c a c a đ ng kim lo i l n h n tính kh c a Fe

kh .ử

ượ ứ

ệ ộ

ủ

ộ

2) Tính đ

c s c đi n đ ng c a m t pin

ở

ụ

ả ứ

Ag(r ) + Cr3+

ả ả

• Ví d : Tính sđđ sinh ra b i pin có ph n ng : Ag++ Cr2+(cid:0) ạ ộ ế gi t ho t đ các ion 1M thi 2+ 1e (cid:0) Gi i : anot: Cr catot Ag+ + 1e (cid:0)

Cr3+ E0 = + 0,41V Ag E0 = + 0,80V

Ag++ Cr2+(cid:0)

Ag(r ) + Cr3+ E0 = +1,21V

ế ử ủ

ệ ự ươ

ế ử ủ

ệ ự

ng th kh c a đi n c c

E = Th kh c a đi n c c d âm

Hay: E0 = + 0,80 – ( 0,41) = + 1,21

ự

ả ứ

ễ

ả

ộ

ế ủ 3. D đoán kh năng di n bi n c a m t ph n ng oxy – hoá khử

ụ

Ví d : Ph n ng sau có xãy ra không n u t

t c các ch t

ấ ở

ả ứ ẩ

ế ấ ả Fe2+ + Cu2+

ả

3+ + Cu (cid:0) Fe2+ E0 = + 0,771 V Cu2+ E0 = 0,337 V

ả ứ

ươ

ự

đk chu n: Fe 3+ + 1e (cid:0) Gi i Fe Cu 2e (cid:0) 2Fe3+ + Cu (cid:0) 2 Fe2+ + Cu2+ E0 = +0,434 V ả ứ Vì ph n ng có E

ng nên ph n ng t

xãy ra

0 d

ệ ự

ủ ặ

ế ệ

ử ớ

ạ

D ng oxi hóa c a c p có th đi n đi n c c kh l n

ử ủ ặ

ủ ạ

ơ

ả

ậ

h n có kh năng nh n electron c a d ng kh c a c p

ế ử ỏ ơ

có th kh nh h n

ươ

11.7 Ph

ng trình Nernst

ủ ệ ộ ộ

ế ệ ự ươ ằ ự ụ ượ ộ ủ ể ệ S ph thu c c a th đi n c c cũng nh s c đi n đ ng c a m t pin đ ư ứ ng tình Nernst c th hi n b ng ph

lg Q

E = E0

0,0592 n

Trong đó:

ế ệ ự

ẩ

E0: Th đi n c c tiêu chu n

ổ

ố

n: S e trao đ i

ứ ị

ố ượ

ụ

ể

ậ

Q: Bi u th c đ nh lu t tác d ng kh i l

ả ứ

ế

Có ph n ng a A + b B = eE + gG • N u xãy ra trong dd loãng , ta có h th c ệ ứ

ECg (cid:0) G = (cid:0) G0 +RTln = (cid:0) G0 +RTln Q G aCB

ặ

Ce (cid:0)

Ở ệ ộ ườ

0 RT lnQ 0 – (0,0592 /n) lg Q

ng E = E

M t khác ta có ể Do đó ta có th suy ra : nFE = nFE t đ th nhi Trong đó 2,303.R.T/F = (2,303 x 8,314 x 298)96500= 0,0592 ả ứ

ố

và n là s e tham gia ph n ng

CA (cid:0) G = nFE

Ví d :ụ

ươ

ể

ụ Áp d ng ph

ng trình Nernst đ tính E

cell.

Pt|Fe2+(0.10 M),Fe3+(0.20 M)||Ag+(1.0 M)|Ag(s)

Ví d :ụ

Ecell = Ecell° lg Q

0.0592 n

Ecell = Ecell° lg [Fe3+] [Fe2+] [Ag+] 0.0592 n

Thay vào: E0 = 0,8000,771= 0,029V

Ecell = 0.029 V – 0.018 V = 0.011 V

Pt|Fe2+(0.10 M),Fe3+(0.20 M)||Ag+(1.0 M)|Ag(s)

Fe2+(aq) + Ag+(aq) Fe→ 3+(aq) + Ag (s)

ự ệ

ậ

ị

11.8 S đi n phân và đ nh lu t Faraday

1.0 M Cu+2 Cathode

1.0 M Zn+2 Anode

ệ

ị

11.8.1 Đ nh nghĩa đi n phân

ệ

ử

ệ

ề

ở ạ

ả

ặ

tr ng thái nóng ch y ho c dung

• Đi n phân là quá trình oxi hóa kh xãy ra trên ệ ự các đi n c c khi có dòng đi n 1 chi u đi qua ệ ấ ch t đi n ly d chị ư

ệ ự ở

ướ

• L u ý : Theo qui ườ

ệ ự

ạ

đó có qt oxi i đó

c đi n c c, ng e) là anot, còn đi n c c mà t ử

ậ

hóa (nh xãy ra qt kh (nh n e) là catot

ự

ệ

ự ươ ng + Trong pin anot là c c âm, catot là c c d ự + Trong đi n phân catot là c c âm, anot là c c

ngươ d Slide 29 of 48

ả

ế

ế 11.8.2. Th phân gi

iQuá th

ệ ế ế ệ ố 1) Th phân gi

ể ủ ệ ả : Th hi u t i ệ ự ủ ể

• ả ủ ệ ế ằ ấ

i c a m t ch t đi n ly b ng th phân gi ệ ứ ứ ả ủ ộ i c a ộ ằ ả ủ i c a anion, t c là b ng s c đi n đ ng

2 và ZnCl2 trong dd 1M là

ả ủ i c a dd CuCl ề ộ i thi u c a dòng đi n m t chi u ự ệ ặ đ t vào hai đi n c c c a bình đi n phân đ gây nên s đi n phân ế Th phân gi ế cation và th phân gi ươ ứ ủ ng ng c a pin t ế ụ • Ví d Th phân gi

2Cl/Cl2 E0

Cu2+/Cu= 1,36(+0,34) = 1,02V

Dd CuCl2: E0=E0

2Cl/Cl2 E0 Zn2+/Zn= 1,36(0,76)= 2,12V

Dd ZnCl2: E0=E0

2.Quá thế

ặ

ng khi đ t vào đi n c c m t

ệ

• Quá th là hi n t ệ ượ ế ế ằ ệ

ế ệ ự

ệ ự ư ộ

ệ

ầ

ệ

ộ hi u đi n th b ng th đi n c c nh ng không xãy ra quá trình đi n phân mà c n m t hi u ơ ế đi n th cao h n • Ví d nh các ion Fe ụ ư

2+, H+, Ni2+, Co2+…

ậ

ị ấ

11.8.2 Đ nh lu t Faraday ố ượ ng ch t thoát ra t l

ỉ ệ ớ ệ ượ ị v i đi n l ng qua

bình đi n phân m= kQ

ươ ị ng l (cid:0) Đ nh lu t 1:Kh i l ậ ệ Trong đó k là đ

ệ ở ệ ự ằ ị ệ ộ ơ ố ượ ề ượ ng đi n hóa v giá tr nó b ng đi n c c khi có m t đ n v đi n

ệ kh i l ượ l

ằ ơ ị ấ ng ch t thoát ra ng đi qua bình đi n phân ể ệ ượ ng có th tính b ng đ n v Faraday (F),

ị ữ ậ ệ

ệ ượ ộ ố ươ ng nh nhau đi qua bình đi n phân ấ ng gam ch t ng l

ươ C 1 F đi n l ư ượ ệ ng đi qua bình đi n phân thoát ra 1 đ ng

ấ ấ ỳ ứ ượ Q là đi n l 1F= 96.500 C = 26,8 A.h (cid:0) Đ nh lu t 2: Nh ng đi n l làm thoát ra cùng m t s đ ệ ượ ng gam ch t b t k l

ọ ủ ị ứ ậ

ờ ộ ng đ dòng đi n (Ampe); t là th i gian(giây),

ể Thay Q=I.t và Đ= A/n thì bi u th c toán h c c a đ nh lu t là m= (A.I.t)/(n.F) ệ ươ Alaf n.t.g; I c F= 96500 C

Q = It

>1.10V

1.0 M Cu+2

1.0 M Zn+2 Cathode

Anode

ƯƠ

Ế

NG 11 ( 1TI T)

ộ ố ộ ố

ụ ụ

ồ ồ

ệ M t s ngu n đi n hóa thông d ng ệ M t s ngu n đi n hóa thông d ng

Acqui

ự ệ

S đi n phân

ộ ố ộ ố

ụ ụ

ồ ồ

ệ M t s ngu n đi n hóa thông d ng ệ M t s ngu n đi n hóa thông d ng

ộ ố ộ ố

ụ ụ

ồ ồ

ệ M t s ngu n đi n hóa thông d ng ệ M t s ngu n đi n hóa thông d ng

Acqui

ồ ấ Acqui chì g m hai t m chì khoét nhi u l

2 + 4H+

ch a PbO nhúng trong ả ứ ả ộ ồ ề ỗ ứ 2SO4 n ng đ 25% – 30% , lúc này x y ra ph n ng:

ả ả ả ứ

ạ ộ ở ự ế ở ự ươ c c d ng bi n

2 (cid:0)

ẽ ả phóng đi nệ :

2 (cid:0) ả ứ

PbSO4 + 2H2O

ả ả

dung d ch Hị PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O (cid:0) Khi n p đi n ạ ệ (s c):ạ ự : PbSO4 2e + 2H2O = PbO2 + SO4 C c (+) C c ()ự : PbSO4 + 2e = Pb + SO42 ư ế Nh th trong c acqui x y ra ph n ng: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4 ế c c âm bi n thành chì ho t đ ng, và PbSO4 thành PbO2. (cid:0) Khi acqui ho t đ ng s x y ra quá trình ạ ộ C c ()ự PbSO4 : Pb 2e + SO4 ự : PbO2 + 2e + 4H+ + SO4 C c (+) ư ế Nh th trong c acqui x y ra ph n ng: Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

ộ ố ộ ố

ụ ụ

ồ ồ

ệ . M t s ngu n đi n hóa thông d ng ệ . M t s ngu n đi n hóa thông d ng