Bài giảng Hoá học đại cương chương 6 Các quá trình điện hóa, cung cấp cho người học những kiến thức như: Pin điện; Chiều và trạng thái cân bằng của phản ứng oxi hóa khử; Sự điện phân. Mời các bạn cùng tham khảo!
CHƢƠNG VI CÁC Q TRÌNH ĐIỆN HĨA 6.1 Pin điện 6.2 Chiều trạng thái cân phản ứng oxi hóa khử 6.3 Sự điện phân Các khái niệm Chất oxy hóa: chất (ion) có khả nhận electron Vd: Cl2, O2, MnO4-, Cr2 O722 Chất khử: chất (ion) có khả nhường electron Vd: Zn, Na, Fe2+, Cl3 Cặp oxy hóa - khử liên hợp: chất oxy hóa sau nhận thêm e trở thành dạng khử liên hợp (và ngược lại) Ký hiệu OXH /Kh Vd: Fe3+ + e → Fe2+ ta có cặp Fe3+/ Fe2+ 2H+ + 2e → H2 ta có cặp 2H+/ H2 MnO4- + 5e + H+ → Mn2+ + H2O ta có cặp MnO4-, H+/ Mn2+2 Các khái niệm Sự khử: nhận electron Cu2+ + e → Cu+ khử ion Cu2+ Sự oxy hóa: Là nhường electron Zn2+ + e → Zn2+ oxy hóa Zn Phản ứng oxy hóa - khử : phản ứng có trao đổi e chất khử chất oxy hóa Vd: 2Fe3+ + Sn2+ → 2Fe2+ + Sn4+ 6.1 PIN ĐIỆN 6.1.1 Cấu tạo hoạt động pin Zn-Cu (pin Daniell –Jacobi): Cu2+ + 2e = Cu Zn – 2e = Zn2+ Zn + Cu2+ = Zn2+ + Cu Qui ƣớc: (–) Zn│ZnSO4 ║CuSO4│Cu (+) 6.1.2 Cơ chế hoạt động pin: Ion bị hydrat hóa Kim loại + nƣớc ion bị hydrat hóa + electron (trong dung dịch) (trên kim loại) M + mH2O Mn+.mH2O + ne 6.1.2 Cơ chế hoạt động pin: Trên bề mặt lớp tiếp xúc kim loại – dung dịch xuất hiên lớp điện tích kép sinh hiệu điện E, đƣợc gọi điện cực (hay oxi hóa khử) E phụ thuộc: Bản chất kim loại làm điện cực Bản chất dung môi Nhiệt độ Nồng độ ion kim loại dung dịch 6.1.3 Thế điện cực: Cấu tạo điện cực hydro tiêu chuẩn: E o 2H /H 0 6.1.3 Thế điện cực: Ghép điện cực Zn với điện cực hydro ta có pin: (–) Zn│ZnSO41M ║2H+1M│H2 (Pt) (+) o o Eo E2H E 0,763(V) /H Zn 2 /Zn o EZn 0,763(V) 2 /Zn Ghép điện cực Cu với điện cực hydro ta có pin: (–) (Pt) H2│2H+1M ║CuSO41M│Cu (+) o o Eo ECu E 0,34(V) 2 /Cu 2H /H o Cu 2 /Cu E 0,34(V) 6.1.4 Các loại điện cực: a Điện cực loại I: Kim loại nhúng dung dịch muối kim loại đó, điện cực khí Điện cực kim loại: Men+ │ Me Men+ + ne = Me o EMen /Me EMe n /Me T=298K: Điện cực khí: T=298K: o EMen /Me EMe n /Me (Pt) 2H+ │ H2 E2H /H E o 2H /H RT ln[Me n ] nF 0,059 lg[Me n ] n 2H+ + 2e = H2 0,059 [H ]2 lg PH 10 6.1.4 Các loại điện cực: b Điện cực loại II: Kim loại phủ hợp chất tan kim loại nhúng dung dịch chứa anion giống anion hợp chất tan Ag│AgCl, KCl: AgCl + e Ag + Cl– CB chất điện ly tan AgCl ↓ Ag+ + Cl– Vậy ta có T= 298K TAgCl = Ag + Cl- E Ag+ /Ag = E Ag + /Ag 0,059 TAgCl + lg [Cl ] 11 6.1.4 Các loại điện cực: b Điện cực loại II: Kim loại phủ hợp chất tan kim loại nhúng dung dịch chứa anion giống anion hợp chất tan Hg│Hg2Cl2, KCl: Hg2Cl2 + 2e 2Hg + 2Cl– CB chất điện ly tan Hg2 Cl2 ↓ Hg22+ + 2Cl– Vậy ta có THg2Cl2 = Hg Cl 2 EHg 2 /2Hg E T = 298K o Hg 22 /2Hg RT RT THg 2Cl 2 o ln[Hg ] EHg 2 /2Hg ln 2F 2F [Cl ]2 E Hg2 /2Hg = E - Hg 22 /2Hg 0,059 TAgCl + lg - 2 [Cl ] 12 6.1.4 Các loại điện cực: c Điện cực oxi hóa khử (loại III): Kim loại trơ (Pt) nhúng dung dịch chứa hỗn hợp dạng oxi hóa dạng khử (Pt) FeCl3│FeCl2: Fe3+ + e Fe2+ T =298K 3 [Fe ] E Fe3+ /Fe2+ = E Fe3+ /Fe2 + 0,059 lg [Fe 2 ] 13 6.1.4 Các loại điện cực: c Điện cực oxi hóa khử (loại III): Kim loại trơ (Pt) nhúng dung dịch chứa hỗn hợp dạng oxi hóa dạng khử (Pt) KMnO4, H2SO4 │ MnSO4 MnO4– + 5e + 8H+ Mn2+ + 4H2O T = 298K E MnO- ,H+ /Mn 2+ = E MnO-4 ,H + /Mn 2+ 0, 059 [MnO ] H + lg [Mn 2 ] 14 6.2 CHIỀU VÀ TRẠNG THÁI CÂN BẰNG CỦA PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ a Chiều phản ứng oxi hóa khử: G = – nEF < E>0 E = E+ - EE+; E- : khử cặp oxh khử tham gia p/ứ phụ thuộc: nồng độ dạng oxi hóa nồng độ dạng khử mơi trƣờng nhiệt độ Khi [oxi hóa] = [khử] = 1M Eo = Eo+ – Eo- Chiều p/ứ oxi hóa khử chiều tác dụng dạng oxi hóa cặp có điện cao với dạng khử cặp có điện thấp 15 6.2 CHIỀU VÀ TRẠNG THÁI CÂN BẰNG CỦA PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ b Trạng thái CB phản ứng oxi hóa khử: Go = – nEoF Go = – RTlnKC nEo F RT KC e Eo nhỏ thay đổi NĐ chất oxh, chất khử mơi trƣờng thay đổi chiều hƣớng p/ứ Eo lớn KC lớn thay đổi NĐ chất oxh, chất khử mtr khó thay đổi chiều hƣớng p/ứ 16 6.3 SỰ ĐIỆN PHÂN 6.3.1 Hiện tƣợng điện phân: Xét tƣợng nhúng hai điện cực graphit đƣợc nối với nguồn điện chiều vào muối ăn nóng chảy Catơt: Na+ + e = Na Anôt: 2Cl– – 2e = Cl2 2NaCl = 2Na + Cl2 Sự oxi hóa khử xảy bề mặt điện cực cho dòng điện chiều qua dung dịch chất điện ly chất điện ly nóng chảy có kèm theo biến đổi điện thành hóa đƣợc gọi điện phân 17 6.3.2 Qui luật anôt catôt điện phân dung dịch nƣớc: a Thứ tự phóng điện anion anơt: Anion thuộc cặp có điện thấp dễ phóng điện - Anơt làm kim loại: kim loại bị hịa tan - Anơt điện cực trơ (Pt, Graphit…): + Anion đơn giản (không chứa oxi): S2–, I–, Br–, Cl– … + OH– + Anion chứa oxi: b SO42–, NO3– … Thứ tự phóng điện cation catôt: Kim loại đứng sau nhôm dãy khử bị khử catôt 18 6.3.2 Qui luật anôt catôt điện phân dung dịch nƣớc: Điện phân dung dịch CuSO4: Anôt trơ: Anôt: OH–, SO42– 4OH- – 4e = O2 + 2H2O Catôt: Cu2+, H3O+ Cu2+ + 2e = Cu Anôt đồng: Anôt: Cu, OH–, SO42– Cu – 2e = Cu2+ Catôt: Cu2+, H3O+ Cu2+ + 2e = Cu 19 6.3.2 Qui luật anôt catôt điện phân dung dịch nƣớc: Điện phân dung dịch Na2SO4: Anôt: OH–, SO42– Metyldacam 4OH- – 4e = O2 + 2H2O Catôt: H3O+, Na+ Phenolphtalein 2H3O+ + 2e = H2 + 2H2O Điện phân dung dịch KI: Anôt: I–, OH– Hồ tinh bột 2I- – 2e = I2 Catôt: H3O+, K+ Phenolphtalein 2H3O+ + 2e = H2 + 2H2O 20 BÀI TẬP BT 6.1 Cho pin điện 25oC: Zn Zn(NO3)2 0,1M Pb(NO3)2 0,0001M Pb EoZn = – 0,76V ; EoPb = – 0,13V a Xác định sức điện động pin, viết phản ứng điện cực phƣơng trình phản ứng pin làm việc b Tính số CB phản ứng pin c Sức điện động pin phƣơng trình phản ứng thay đổi thay đổi điện Zn điện cực Pb có nồng độ [Pb2+]=2M 21 BÀI TẬP Zn Zn(NO3)2 0,1M Pb(NO3)2 0,0001M Pb BT 6.1 a Zn2+ + 2e = Zn EZn * 𝟎,𝟎𝟓𝟗 lg [Zn2+] 𝟐 𝟎,𝟎𝟓𝟗 = – 0,76 + lg 10–1 = – 0,7895 (V) 𝟐 = EoZn + Pb2+ + 2e = Pb EPb 𝟎,𝟎𝟓𝟗 = + lg [Pb2+] 𝟐 𝟎,𝟎𝟓𝟗 = – 0,13 + lg 10–4 = – 0,248 (V) 𝟐 EoPb → EPb > EZn (+) (–) → E = E+ – E– = EPb – EZn = – 0,248 – (– 0,7895) = 0,5415 (V) 22 BÀI TẬP BT 6.1 (–) (+) Zn Zn(NO3)2 0,1M Pb(NO3)2 0,0001M Pb Zn – 2e = Zn2+ Pb2+ + 2e = Pb Zn + Pb2+ = Zn2+ + Pb b Hằng số cân → KC e nEo F RT n=2 F = 96500 C/mol R = 8,314 J/mol.K T = 298K Eo = Eo+ – Eo– = EoPb – EoZn = – 0,13 – (– 0,76) = 0,63 (V) KC = … 23 BÀI TẬP BT 6.1 Zn Zn(NO3)2 0,1M Pb(NO3)2 0,0001M Pb C Thay điện cực Zn điện cực Pb (1) Pb2+ + 2e = Pb EPb (2) Pb2+ + 2e = Pb EPb → 𝟎,𝟎𝟓𝟗 = Pb + lg [Pb2+] 𝟐 𝟎,𝟎𝟓𝟗 = – 0,13 + lg = … (V) 𝟐 Eo 𝟎,𝟎𝟓𝟗 = Pb + lg [Pb2+] 𝟐 𝟎,𝟎𝟓𝟗 = – 0,13 + lg 10–4= – 0,248 (V) 𝟐 Eo E = E+ – E– = … 24 ... Zn2+ oxy hóa Zn Phản ứng oxy hóa - khử : phản ứng có trao đổi e chất khử chất oxy hóa Vd: 2Fe3+ + Sn2+ → 2Fe2+ + Sn4+ 6. 1 PIN ĐIỆN 6. 1.1 Cấu tạo hoạt động pin Zn-Cu (pin Daniell –Jacobi): Cu2+... MnO- ,H+ /Mn 2+ = E MnO-4 ,H + /Mn 2+ 0, 059 [MnO ] H + lg [Mn 2 ] 14 6. 2 CHIỀU VÀ TRẠNG THÁI CÂN BẰNG CỦA PHẢN ỨNG OXI HÓA KHỬ a Chiều phản ứng oxi hóa khử: G = – nEF < E>0 E = E+ -. .. OH– Hồ tinh bột 2I- – 2e = I2 Catôt: H3O+, K+ Phenolphtalein 2H3O+ + 2e = H2 + 2H2O 20 BÀI TẬP BT 6. 1 Cho pin điện 25oC: Zn Zn(NO3)2 0,1M Pb(NO3)2 0,0001M Pb EoZn = – 0,76V ; EoPb = – 0,13V