Bài 15: Thế điện cực và nguồn điện hoá học

1. Kiến thức trọng tâm

Thế điện cực là đại lượng đặc trưng cho khả năng nhận hoặc nhường electron của một cặp oxi hoá khử. Cặp oxi hoá khử được kí hiệu $Ox/Red$, ví dụ $Zn^{2+}/Zn$, $Cu^{2+}/Cu$. Thế điện cực chuẩn $E^o$ được đo khi nồng độ ion bằng $1M$, áp suất khí bằng $1$ bar và nhiệt độ $25^oC$. Điện cực hydrogen chuẩn được chọn làm mốc với $E^o = 0,00V$. Thế điện cực chuẩn càng lớn thì dạng oxi hoá càng mạnh, dạng khử càng yếu.

Dãy điện hoá sắp xếp các cặp oxi hoá khử theo chiều tăng dần thế điện cực chuẩn. Quy tắc alpha cho biết chất oxi hoá mạnh nhất tác dụng với chất khử mạnh nhất, nghĩa là chất oxi hoá ở phía trái của dãy tác dụng với chất khử ở phía phải. Nhờ dãy điện hoá, ta dự đoán được chiều phản ứng oxi hoá khử, ví dụ $Zn$ khử được $Cu^{2+}$ thành $Cu$ vì $E^o_{Zn^{2+}/Zn} = -0,76V$ nhỏ hơn $E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0,34V$.

Pin điện hoá là thiết bị biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ phản ứng oxi hoá khử. Pin Daniell gồm hai điện cực $Zn$ và $Cu$ nhúng trong dung dịch muối tương ứng, nối với nhau bằng cầu muối. Ở anode, $Zn$ bị oxi hoá thành $Zn^{2+}$ và giải phóng electron; ở cathode, $Cu^{2+}$ nhận electron tạo $Cu$. Sức điện động của pin bằng hiệu thế điện cực chuẩn của cathode và anode: $E^o_{pin} = E^o_{cathode} - E^o_{anode}$. Pin khô, pin alkaline và pin lithium được dùng rộng rãi trong đời sống.

2. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1. Tính sức điện động chuẩn của pin Daniell.

Lời giải: $E^o_{pin} = E^o_{Cu^{2+}/Cu} - E^o_{Zn^{2+}/Zn} = 0,34 - (-0,76) = 1,10V$.

Ví dụ 2. Cho các cặp $Fe^{2+}/Fe$ có $E^o = -0,44V$ và $Ag^+/Ag$ có $E^o = +0,80V$. Viết phản ứng xảy ra khi cho $Fe$ vào dung dịch $AgNO_3$.

Lời giải: $Fe$ là chất khử mạnh hơn $Ag$ nên phản ứng xảy ra: $Fe + 2Ag^+ \rightarrow Fe^{2+} + 2Ag$. Bạc kim loại bám lên thanh sắt.

3. Ghi nhớ

• Thế điện cực chuẩn càng lớn thì dạng oxi hoá càng mạnh.
• Sức điện động pin: $E^o_{pin} = E^o_{cathode} - E^o_{anode}$.
• Pin điện hoá biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ phản ứng oxi hoá khử.