PIN VÀ ĐIỆN CỰC

11

CHÖÔNG 14 CHÖÔNG 14 CHÖÔNG 14

PIN & ÑIEÄN CÖÏC PIN & ÑIEÄN CÖÏC PIN & ÑIEÄN CÖÏC

Chương 14 PIN & ÑIEÄN CÖÏC

22

Pin ñieän hoùa laø 1 heä thoáng bieán ñoåi hoùa naêng thaønh ñieän naêng nhôø phaûn öùng oxy hoùa khöû xaûy ra ôû 2 ñieän cöïc

• NGUYEÂN TAÉC TAÏO THAØNH PIN ÑIEÄN HOÙA • cho 2 quaù trình oxy hoùa vaø khöû xaûy ra ôû 2 nôi rieâng bieät (ñöôïc goïi laø 2 ñieän cöïc) roài noái 2 ñieän cöïc naøy baèng 1 daây daãn loaïi 1 thì doøng electron seõ ñöôïc chuyeån ñònh höôùng töø cöïc aâm sang cöïc döông.

33 Caùc thuaät ngöõ cuûa PIN

44 KYÙ HIEÄU PIN Cr(s) | Cr3+(1M) || Ag+ (1M) | Ag(s) Cr(s) | Cr3+(1M) || Ag+ (1M) | Ag(s)

• Ñieän cöïc CATOD

• Ñieän cöïc ANOD

• – baùn p/öù khöû • – laø ñieän cöïc döông (+) • – Cation bò huùt veà catod

• – baùn p/öù oxy hoùa • – laø ñieän cöïc aâm (-) • – Anion bò huùt veà anod

• Doøng electron luoân chuyeån dôøi veà phía catod.

• - Pin ñöôïc vieát töø TRAÙI sang PHAÛI [töø (-) sang (+)]

• - Ranh giôùi giöõa ñieän cöïc vaø dd:

| || • - Ranh giôùi giöõa 2 dung dòch: • - Ranh giôùi giöõa 2 dd coù theá khueách taùn: • - Giöõa caùc thaønh phaàn trong dd hay ñieän cöïc: daáu phaåy

55 THEÁ ÑIEÄN CÖÏC Söï hình thaønh lôùp ñieän tích keùp:

•

Khi nhuùng kim loaïi vaøo trong dd muoái cuûa noù, do cheânh leäch veà hoùa theá cuûa ion kim loaïi treân ñieän cöïc vaø trong dd maø xaûy ra qt hoøa tan hay keát tuûa.

66 Theá ñieän cöïc

• - Söï hình thaønh lôùp ñieän tích keùp gaây neân moät

böôùc nhaûy ñieän theá ôû ñieän cöïc.

• Khoâng theå xaùc ñònh ñöôïc giaù trò tuyeät ñoái cuûa caùc böôùc nhaûy theá naøy, neân duøng moät ñieän cöïc laøm chuaån ñeå so saùnh:

• Ñieän cöïc chuaån Hydro • Qui öôùc ϕ0

H+/H2 = 0

• 2H+ + 2e- → H2

77 • Khi gheùp ñieän cöïc khaûo saùt vôùi ñieän cöïc chuaån thì söùc ñieän ñoäng E cuûa pin taïo thaønh chính laø ñoä lôùn cuûa ϕ cuûa ñieän cöïc ñoù.

• Ở ñiều kieän chuaån (25oC, hoaït ñoä caùc chaát =1)

---> theá ñieän cöïc chuaån ϕ0

298

ϕ > 0

• QUY ÖÔÙC: • Neáu quaù trình laø khöû • (cid:194) chaát Oxy hoùa coù tính Oxy hoùa > H+

Neáu quaù trình laø oxy hoùa ϕ < 0 (cid:194) chaát Khöû coù tính Khöû > H2

88 SÖÙC ÑIEÄN ÑOÄNG CUÛA PIN

3 4 1'

1 2

• Pin Zn-Cu: (-) Cu|Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu (+) • Kí hieäu pha:

• Söùc ñieän ñoäng cuûa pin laø hieäu theá ôû pha 1 vaø 1'. •

E= ϕ1' - ϕ1

• Khi xeùt chi tieát caùc böôùc nhaûy theá ôû caùc ranh giôùi phaân

chia pha ta coù:

•

E= (ϕ1' -ϕ4) + (ϕ4 - ϕ3) + (ϕ3 - ϕ2) + (ϕ2 -ϕ1)

E= Δϕ1',4 + Δϕ3,2 + Δϕ2,1

• Khi boû qua theá khueách taùn thì: ϕ4 - ϕ3 =0 • • Vôùi Δϕi,j laø hieâïu theá giöõa hai ñieåm naèm saâu trong loøng

hai pha i,j.

• Do Δϕi,j khoâng ño ñöôïc baèng thöïc nghieäm neân phaûi söû duïng ñieän cöïc so saùnh.

99 EA= Δϕ M2,L2 + Δϕ L1,M1 + Δϕ M1,M2 EB= Δϕ M0,M1 + Δϕ M1,L1 + Δϕ L0,M0 EC= Δϕ M0,M2 + Δϕ M2,L2 + Δϕ L0,M0

• Ñeå xaùc ñònh SÑÑ cuûa pin: (-) M2| M1 | L1 || L2 | M2 (+) (maïch A) • • ta taïo hai maïch:(-) M0 | L0 || L1 | M1| M0 (+) (maïch B) (-) M0 | L0 || L2 | M2 | M0 (+) (maïch C) • • Ta coù: • • • • •

EC - EB = (ΔϕM0,M2 - ΔϕM0,M1) + ΔϕM2,L2 - ΔϕM1,L1 = ΔϕM1,M2 +ΔϕM2,L2 + ΔϕL1,M1

• Neân: EA= EC - EB • Neáu ñieän cöïc so saùnh laø ñieän cöïc tieâu chuaån Hydro thì EC , EB laø theá ñieän cöïc ϕC , ϕB cuûa cöïc (+) & cöïc (-)

1010

• Söùc ñieän ñoäng cuûa moät maïch ñieän hoùa baèng hieäu theá giöõa theá ñieän cöïc döông vaø theá ñieän cöïc aâm • (khi khoâng coù theá khueách taùn).

E = ϕ+ – ϕ–

1111

NHIEÄT ÑOÄNG HOÏC CUÛA PIN VAØ ÑIEÄN CÖÏC:

• 1. Phöông trình nhieät ñoäng cô baûn cuûa pin:

ΔG = – nFE ΔG = – nFE

J V

soá ñieän töû trao ñoåi soá Faraday • • •

2. AÛnh höôûng cuûa noàng ñoä ñeán SÑÑ (E) vaø 1212 theá ñieän cöïc (ϕ) - Phöông trình Nernst:

aA + bB ⇔ dD + eE

• Xeùt phaûn öùng toång quaùt xaûy ra trong pin: • • Theo phöông trình ñaúng nhieät Vant’ Hoff, ta coù: ΔG = - RT ln(Ka / Πa ) • • → nFE = RT ln(Ka / Πa )= RT lnKa - RTlnΠa •

−

RT nF

R T . n F .

d e a a . D E b a a a . B A

⎛ ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

PT Nernst:

E E =

−

K ln a

RT nF

R T . n F .

d e a a . D E a b a a . B A

⎛ ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

1313

−ϕ=ϕ

Ox + ne = Kh • Aùp duïng PT Nernst cho phaûn öùng ôû ñieän cöïc: •

T.R F.n

• ÔÛ 250C, T=298 K , R= 8,314, F=96500, ln10 = 2,303 thì:

0 ϕ ϕ=

−

• →

0,059 n

a lg Kh a Ox

•

• ϕ0 : theá ñieän cöïc chuaån (laø theá ñieän cöïc khi hoaït ñoä caùc caáu töû baèng 1).

1414

3. AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä:

−=

Δ H F.n

dE dT

• Heä soá nhieät ñoä cuûa SÑÑ

dE dT

S Δ nF

• Heä soá nhieät ñoä cuûa theá ñieän cöïc:

d S ϕ Δ = nF dT

• Trong khoaûng T heïp gaàn 298K:

−

298

)

o T

o ϕ ϕ= 298

d ϕ ( dt

1515

4. Heä thöùc Luther • Kim loaïi M coù hai cation laø Mh+ vaø Mn+. Heä naøy

seõ coù ba quaù trình ñieän cöïc:

Mh+ + he → M (1) ΔG1 = -hFϕh Mn+ + ne → M (2) ΔG2 = -hFϕn

Mh+ + (h-n)e → Mn+ (3) ΔG3 = -(h-n)Fϕh/n

• • • • • Vì (3) = (1) – (2) neân: ΔG3 = ΔG1 - ΔG2

→ (h-n)ϕh/n = hϕh - nϕn → (h-n)ϕh/n = hϕh - nϕn

1616

PHAÂN LOAÏI ÑIEÄN CÖÏC

• (a) Ñieän cöïc loaïi 1

• (b) Ñieän cöïc loaïi 2

• (c) Ñieän cöïc loaïi 3

• (d) Ñieän cöïc khí

• (e) Ñieän cöïc oxy hoùa khöû

1717

Ñieän cöïc loaïi 1: ñieän cöïc thuaän nghòch cation/anion Kim loaïi hoaëc phi kim nhuùng vaøo dd chöùa ion cuûa noù.

: A + ne → An- : A + ne → An-

M | Mn+ : Mn+ + ne → M M | Mn+ : Mn+ + ne → M

A | An- A | An-

Pt Nernst: Pt Nernst:

0 = ϕ ϕ

−

0 ϕ

a M

R T . n F .

a a M

0 = ϕ ϕ

−

ϕ− =

−

A a

R T . n F .

Ñieän cöïc loaïi 2: 1818 Kim loaïi ñöôïc phuû chaát khoù tan cuûa chính noù (muoái, oxit, hydroxyt) nhuùng vaøo dd chöùa anion cuûa hôïp chaát khoù tan.

M | MA | An- : MA + ne → M + An- M | MA | An- : MA + ne → M + An-

0 = ϕ ϕ

−

a − ln

R T . n F .

Ñieän cöïc calomel: Cl- | Hg2Cl2 | Hg, Pt

Ñieän cöïc baïc – clorua baïc:

Cl- | AgCl | Ag

1919

Ñieän cöïc loaïi 3: kim loaïi tieáp xuùc vôùi hai muoái khoù tan coù chung anion • M’n+ | M’A, MA | M : MA + M’n+ = M’A + M

MA coù ñoä tan nhoû hôn M’A : TMA < TM’A

−

0 = ϕ ϕ + M M /

0 ϕ + M M /

a a

−

R T . n F .

a . M A M a .

R T . n F .

2020

Ñieän cöïc khí: kim loaïi trô tieáp xuùc vôùi khí vaø ion khí.

H+ | H2, Pt : 2H+ + 2e → H2 H+ | H2, Pt : 2H+ + 2e → H2

OH– | O2, Pt : O2 + 2H2O + 4e → 4OH– OH– | O2, Pt : O2 + 2H2O + 4e → 4OH–

Cl– | Cl2, Pt Cl– | Cl2, Pt : Cl2 + 2e → 2Cl– : Cl2 + 2e → 2Cl–

xuùc taùc cho p/öù ñieän cöïc

• Kim loaïi trô : truyeàn daãn ñieän töû •

2121

Ñieän cöïc oxy hoùa khöû: goàm moät kim loaïi trô nhuùng vaøo moät dd coù caû hai daïng oxy hoùa vaø khöû.

• Ví duï: Fe3+ | Fe2+, Pt

Ox | Kh, Pt : Ox + ne → Kh •Ox | Kh, Pt : Ox + ne → Kh

Ñieän cöïc hoãn hoáng Ñieän cöïc thuûy tinh

2222

Caùc loaïi maïch ñieän hoùa

a. Maïch hoùa hoïc – maïch noàng ñoä: • • Maïch hoùa hoïc: hai ñieän cöïc khaùc nhau veà

baûn chaát hoùa hoïc hình thaønh moät pin.

• Maïch noàng ñoä: hai ñieän cöïc gioáng nhau veà

baûn chaát hoùa hoïc nhöng khaùc nhau veà hoaït ñoä cuûa dung dòch ñieän cöïc.

2323

b. Maïch coù taûi vaø maïch khoâng taûi:

• Maïch coù taûi: khi hai ñieän cöïc coù hai dung dòch,

gioáng hoaëc khaùc nhau veà baûn chaát, tieáp xuùc nhau qua maøng xoáp → toàn taïi theá khueách taùn.

• Maïch khoâng taûi: 2 dung dòch ñieän cöïc khoâng

tieáp xuùc tröïc tieáp nhau.

• Coù theå söû duïng maïch keùp ñeå loaïi boû hoaøn toaøn

theá khueách taùn.

2424

c. Maïch thuaän nghòch vaø khoâng thuaän nghòch:

• Phaûn öùng oxy hoùa khöû xaûy theo chieàu naøo coøn tuøy hieäu theá taùc ñoäng:

• * Neáu hieäu theá taùc ñoäng lôùn hôn sññ cuûa maïch

• V > E : maïch laøm vieäc nhö ñieän phaân (thu ñieän)

• * Neáu V < E: maïch laøm vieäc nhö pin ñieän (maùy phaùt ñieän)

2525

Tuøy vaøo ñieän theá aùp vaøo maïch, p/öù oxy • Maïch thuaän nghòch: •

hoùa khöû coù theå xaûy ra theo hai chieàu ngöôïc nhau

• (cid:170) cheá taïo nguoàn ñieän laøm vieäc nhieàu laàn

Khi thay ñoåi ñieän theá aùp vaøo maïch, thì • Maïch khoâng thuaän nghòch •

xaûy ra 2 p/öù oxy hoùa khöû khaùc nhau

• (cid:170) khoâng coù khaû naêng taùi taïo chaát ban ñaàu

2626

Ñieän theá khueách taùn • Khi 2 dd khaùc nhau veà daïng chaát ñieän ly hoaëc noàng ñoä maø tieáp xuùc nhau, taïi beà maët phaân chia 2 dd seõ xuaát hieän 1 hieäu ñieän theá goïi laø theá khueách taùn. • Nguyeân nhaân: linh ñoä khaùc nhau cuûa caùc cation vaø anion → xuaát hieän lôùp ñieän tích keùp → xuaát hieän böôùc nhaûy theá.

• (cid:170) SÑÑ maïch coù taûi coù 3 böôùc nhaûy theá: •

ϕ+=

E

taûi E

döông döông döông hay aâmaâm hay hay aâm

2727

Caùch xaùc ñònh theá khueách taùn (töï ñoïc)

Neáu t- > t+

töùc λ- > λ+

thì ϕkt > 0

Etaûi > E

Neáu t- < t+

töùc λ- < λ+

thì ϕkt < 0

Etaûi < E

Neáu t- = t+

töùc λ- = λ+

thì ϕkt = 0

Etaûi = E

2828

Bieän phaùp loaïi tröø theá khueách taùn Duøng caàu muoái: dung dòch ñaäm ñaëc cuûa moät muoái coù linh ñoä cation gaàn baèng anion Ví duï: KCl, KNO3, NH4Cl, NH4NO3, … → ϕkt khoâng ñaùng keå

•Taïo maïch keùp: •loaïi boû hoaøn toaøn ϕkt •(TÖÏ ÑOÏC)

2929

ÖÙNG DUÏNG CUÛA PHEÙP ÑO

SÖÙC ÑIEÄN ÑOÄNG (töï ñoïc)

• 1. Phöông phaùp ño söùc ñieän ñoäng • 2. Ño pH • 3. Chuaån ñoä ñieän theá • 4. Xaùc ñònh moät soá ñaïi löôïng hoùa lyù:

soá taûi, γ±, tích soá tan

3030

CAÙC NGUOÀN ÑIEÄN HOÙA

Pin sô caáp

Pin thöù caáp

Pin nhieân lieäu

Pin Pin ssơơ cấpcấp —— làmlàm việcviệc 1 1 lầnlần trêntrên ccơơ sởsở pin pin nghịch thuận nghịch không thuận không ------> > không chất lại chất

không thuthu lại ban ban đđầuầu

•• Pin Pin thứthứ cấpcấp ((Acquy Acquy)) nhieàu laànlaàn •• laømlaøm vieäcvieäc nhieàu döïadöïa treântreân côcô sôûsôû pin pin nghòch thuaän nghòch thuaän •• ------> > nạpnạp ñieänñieän söûsöû laïi duïng laïi duïng