Dãy điện hóa của kim loại

Dãy điện hóa của kim loại DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI I – KHÁI NIỆM VỀ CẶP OXI HÓA – KHỬ CỦA KIM LOẠI Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử. Một cặp oxi hóa – khử được biểu diễn dưới dạng oxi hóa/khử (M n+ /M). Ví dụ: Cu 2+ và Cu tạo thành một cặp oxi hóa – khử Cu 2+ /Cu II – PIN ĐIỆN HÓA 1. Khái niệm về pin điện hóa, suất điện động và thế điện cực a) Cấu tạo pin điện hóa: Hai cốc thủy tinh, một cốc chứa 50 ml dung dịch CuSO 4 1M, cốc kia chứa 50 ml dung dịch ZnSO 4 1M. Nhúng một lá Cu vào dung dịch CuSO 4 , một lá Zn vào dung dịch ZnSO 4 . Nối hai dung dịch bằng một hình chữ U đựng dung dịch Na 2 SO 4 (hoặc KNO 3 ). Ống này được gọi là cầu muối. Thiết bị nói trên được gọi là pin điện hóa vì khi nối hai lá kim loại bằng một dây dẫn sẽ đo được một dòng điện đi từ lá Cu (điện cực +) đến lá Zn (điện cực –) b) Suất điện động và thế điện cực: - Sự xuất hiện dòng điện đi từ cực Cu sang cực Zn chứng tỏ rằng có sự chênh lệch điện thế giữa hai điện cực nói trên, tức là trên mỗi điện cực đã xuất hiện một thế điện cực nhất định - Suất điện động của pin (E) là hiệu của thế điện cực dương (E (+) ) và điện cực âm (E (-) ). Điện cực dương là điện cực có thế lớn hơn và suất điện động của pin luôn là số dương E = E (+) – E (-) - Suất điện động chuẩn của pin (E o ) là suất điện động khi nồng độ ion kim loại ở điện cực đều bằng 1M (ở 25 o C) E o = E o (+) – E o (-) hoặc E o = E o catot – E o anot - Ví dụ E o = E o Cu 2+ /Cu – E o Zn 2+ /Zn gọi là suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Cu 2. Cơ chế phát sinh dòng điện trong pin điện hóa a) Quan sát thí nghiệm: Chuẩn bị sẵn pin điện hóa Zn – Cu, nối hai điện cực Zn và Cu bằng một dây dẫn, trên dây có mắc nối tiếp một vôn kế: - Xuất hiện dòng điện một chiều từ lá Cu (cực +) sang lá Zn (cực –) nhưng chiều di chuyển của dòng electron mạch ngoài thì ngược lại, từ lá Zn (cực –) sang lá Cu (cực +). Suất điện động của pin đo được là 1,10 V - Điện cực Zn bị ăn mòn dần - Có một lớp kim loại đồng bám trên điện cực Cu - Màu xanh của cốc đựng dung dịch CuSO 4 bị nhạt dần b) Giải thích hiện tượng của thí nghiệm: - Điện cực Zn bị oxi hóa: Zn → Zn 2+ + 2e (sự mất electron xảy ra trên bề mặt lá Zn và lá Zn trở thành nguồn electron nên đóng vai trò cực âm, các electron theo dây dẫn đến cực Cu). Do vậy cực Zn bị ăn mòn - Trong cốc đựng dung dịch CuSO 4 , các ion Cu 2+ di chuyển đến lá Cu, tại đây chúng bị khử thành Cu kim loại bám trên cực đồng: Cu 2+ + 2e → Cu. Nồng độ Cu 2+ trong dung dịch giảm dần, khiến cho màu xanh trong dung dịch nhạt dần - Trong quá trình hoạt động của pin điện hóa Zn – Cu, nồng độ ion Zn 2+ trong cốc đựng dung dịch ZnSO 4 tăng dần, nồng độ ion Cu 2+ trong cốc kia giảm dần. Đến một lúc nào đó, dòng electron trong dây dẫn không còn, dòng điện tự ngắt - Để duy trì được dòng điện trong quá trình hoạt động của pin điện hóa, người ta dùng cầu muối. Vai trò của cầu muối là trung hòa điện tích của 2 dung dịch: các ion dương Na + hoặc K + và Zn 2+ di chuyển qua cầu muối đến cốc đựng dung dịch CuSO 4 . Ngược lại , các ion âm SO 4 2- hoặc NO 3 - di chuyển qua cầu muối đến dung dịch ZnSO 4 - Ở mạch ngoài (dây dẫn), dòng electron đi từ cực Zn sang cực Cu còn dòng điện đi từ cực Cu sang cực Zn. Vì thế điện cực Zn được gọi là anot (nơi xảy ra sự oxi hóa), điện cực Cu được gọi là catot (nơi xảy ra sự khử). Vậy trong pin điện hóa, anot là cực âm còn catot là cực dương - Phương trình hóa học của phản ứng xảy ra trong pin điện hóa Zn – Cu: quy tắc α Cu 2+ + Zn → Zn 2+ + Cu c) Kết luận: - Có sự biến đổi nồng độ của các ion Cu 2+ và Zn 2+ trong quá trình hoạt động của pin - Năng lượng của phản ứng oxi hóa – khử trong pin điện hóa đã sinh ra dòng điện một chiều - Những yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động của pin điện hóa như: nhiệt độ, nồng độ của ion kim loại, bản chất của kim loại làm điện cực III – THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI 1. Điện cực hiđro chuẩn Để có thể so sánh thế điện cực giữa hai cặp oxi hóa – khử, điều cần thiết trước hết là thế điện cực của chúng phải được so sánh với một tiêu chí nào đó. Có nghĩa là ta phải chọn cặp oxi hóa – khử để quy chiếu và quy ước nó có thế điện cực bằng 0. Cặp quy chiếu được chọn là cặp oxi hóa – khử 2H + /H 2 Cấu tạo của điện cực hiđro chuẩn: gồm một thanh platin (Pt) được đặt trong một dung dịch axit có nồng độ ion H + là 1M (pH = 0). Bề mặt điện cực hấp thụ khi hiđro, được thổi liên tục vào dung dịch dưới áp suất 1 atm. Như vậy trên bề mặt điện cực hiđro xảy ra cân bằng oxi hóa – khử của cặp oxi hóa – khử 2H + /H 2 Quy ước rằng: thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn bằng 0,00 V ở mọi nhiệt độ, tức là: E o 2H + /H = 0,00 V 2. Thế điện cực chuẩn của kim loại Ta dùng thế điện cực hiđro chuẩn E o 2H+/H2 để xác định thế điện cực chuẩn cho các cặp oxi hóa – khử khác. Bằng cách nối cặp oxi hóa – khử M n+ /M chuẩn (cation M n+ có nồng độ 1M, nhiệt độ 25 o C) với cặp 2H + /H 2 chuẩn. Thế điện cực chuẩn của kim loại cần đo được chấp nhận bằng suất điện động của pin tạo bởi điện cực hiđro chuẩn và điện cực chuẩn của kim loại cần đo. Có 2 trường hợp xảy ra với giá trị của thế điện cực chuẩn: - Thế điện cực chuẩn của cặp M n+ /M là số dương nếu khả năng oxi hóa của ion M n+ trong nửa pin M n+ /M là mạnh hơn ion H + trong nửa pin 2H + /H 2 - Thế điện cực chuẩn của cặp M n+ /M là số âm nếu khả năng oxi hóa của ion M n+ trong nửa pin M n+ /M là yếu hơn ion H + trong nửa pin 2H + /H 2 Ví dụ: Thế điện cực chuẩn của các cặp kim loại: E o Zn 2+ /Zn = – 0,76 V ; E o Ag + /Ag = + 0,80 V IV – DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại là dãy sắp xếp các kim loại theo thứ tự tăng dần thế điện cực chuẩn Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại còn được gọi là dãy thế oxi hóa – khử chuẩn của kim loại, hoặc dãy thế khử chuẩn của kim loại. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, người ta dùng tên dãy sao cho phù hợp V – Ý NGHĨA CỦA DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI 1. So sánh tính oxi hóa – khử Trong dung môi nước, thế điện cực chuẩn của kim loại E o M n+ /M càng lớn thì tính oxi hóa của cation M n+ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại 2. Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử cũng là sự tìm hiểu về phản ứng đó trong điều kiện tự nhiên có xảy ra hay không. Có một số phương pháp xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử: a) Phương pháp 1 (phương pháp định tính): - Kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn khử được cation kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn (nói cách khác, cation kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn có thể oxi hóa được kim loại trong cặp có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn) - Ví dụ: ion Pb 2+ có oxi hóa được Zn hay không trong phản ứng: Pb 2+ (dd) + Zn(r) → Pb(r) + Zn 2+ (dd) Nếu phản ứng hóa học trên xảy ra giữa 2 cặp oxi hóa – khử Pb 2+ /Pb và Zn 2+ /Zn, ta viết các cặp oxi hóa – khử trên theo trình tự: cặp nào có giá trị E o lớn hơn ở bên phải, cặp nào có giá trị E o nhỏ hơn ở bên trái. Ta có: Theo quy tắc α: ion Pb 2+ oxi hóa được Zn, sản phẩm là những chất oxi hóa (Zn 2+ ) và chất khử (Pb) yếu hơn. Phản ứng trên có xảy ra - Kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn âm khử được ion hiđro của dung dịch axit (nói cách khác, cation H + trong cặp 2H + /H 2 có thể oxi hóa được kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn âm) b) Phương pháp 2 (phương pháp định lượng): Quay lại ví dụ ion Pb 2+ có oxi hóa được Zn hay không trong phản ứng: Pb 2+ (dd) + Zn(r) → Pb(r) + Zn 2+ (dd). Phản ứng hóa học trên được tạo nên từ hai nửa phản ứng: - Nửa phản ứng oxi hóa: Zn → Zn 2+ + 2e, ta có E o Zn 2+ /Zn = -0,76 V - Nửa phản ứng khử: Pb 2+ + 2e → Pb, ta có E o Pb 2+ /Pb = -0,13 V Thế oxi hóa – khử của cả phản ứng (E o pư ) được tính theo công thức: E o pư = E o Pb 2+ /Pb – E o Zn 2+ /Zn = -0,13 – (– 0,76) = +0,63 V E o của phản ứng oxi hóa – khử là số dương (E o pư > 0), kết luận là phản ứng trên có xảy ra 3. Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hóa E o pin = E o (+) – E o (-) Ví dụ: suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Cu là: E o pin = E o Cu 2+ /Cu – E o Zn 2+ /Zn = 0,34 – (–0,76) = 1,10 V 4. Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử Ví dụ: Biết suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Ag là 1,56 V và thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử Ag + /Ag là +0,80 V. Hãy xác định thế điện cực chuẩn của cặp Zn 2+ /Zn Ta có E o pin = E o Ag + /Ag – E o Zn 2+ /Zn → E o Zn 2+ /Zn = E o Ag + /Ag – E o pin = +0,80 – 1,56 = – 0,76 V • Biên soạn Hồ Chí Tuấn - ĐH Y Hà Nội