PIN VÀ ĐIỆN CỰC docx

1 1 © 2006 Brooks/Cole - Thomson Chương 14 PIN & ÑIEÄN CÖÏC CHÖÔNG 14 PIN & ÑIEÄN CÖÏC CHÖÔNG 14 CHÖÔNG 14 PIN & ÑIEÄN CÖÏC PIN & ÑIEÄN CÖÏC 2 2 © 2006 Brooks/Cole - Thomson Pin điện hóa là 1 hệ thống biến đổi hóa năng thành điện năng nhờ phản ứng oxy hóa khử xảy ra ở 2 điện cực • NGUYÊN TẮC TẠO THÀNH PIN ĐIỆN HÓA • cho 2 quá trình oxy hóa và khử xảy ra ở 2 nơi riêng biệt (được gọi là 2 điện cực) rồi nối 2 điện cực này bằng 1 dây dẫn loại 1 thì dòng electron sẽ được chuyển đònh hướng từ cực âm sang cực dương. 3 3 â 2006 Brooks/Cole - Thomson Caực thuaọt ngửừ cuỷa PIN 4 4 © 2006 Brooks/Cole - Thomson KÝ HIỆU PIN • Điện cực ANOD • –bánp/ứoxy hóa • – là điện cực âm (-) • – Anion bò hút về anod Cr(s) | Cr 3+ (1M) || Ag + (1M) | Ag(s) Cr(s) | Cr 3+ (1M) || Ag + (1M) | Ag(s) • Dòng electron luôn chuyển dời về phía catod. • Điện cực CATOD • –bánp/ứkhử • – là điện cực dương (+) • – Cation bò hút về catod • - Pin được viết từ TRÁI sang PHẢI [từ (-) sang (+)] • - Ranh giới giữa điện cực và dd: | • - Ranh giới giữa 2 dung dòch: || • - Ranh giới giữa 2 dd có thế khuếch tán: • - Giữa các thành phần trong dd hay điện cực: dấu phẩy 5 5 © 2006 Brooks/Cole - Thomson THẾ ĐIỆN CỰC Sự hình thành lớp điện tích kép: • Khi nhúng kim loại vào trong dd muối của nó, do chênh lệch về hóa thế của ion kim loại trên điện cực và trong dd mà xảy ra qt hòa tan hay kết tủa. 6 6 © 2006 Brooks/Cole - Thomson The á điện cực •-Sựhìnhthànhlớpđiệntíchképgâynênmột bước nhảy điện thế ở điện cực. • Không thể xác đònh được giá trò tuyệt đối của các bước nhảy thế này, nên dùng một điện cực làm chuẩn để so sánh: • Điện cực chuẩn Hydro •Qui ướcϕ 0 H+/H2 = 0 • 2H + + 2e - → H 2 7 7 © 2006 Brooks/Cole - Thomson • Khi ghép điện cực khảo sát với điện cực chuẩn thì sức điện động E của pin tạo thành chính là độ lớn của ϕ của điện cực đó. • Ở điều kiện chuẩn (25 o C, hoạt độ các chất =1) > thế điện cực chuẩn ϕ 0 298 • QUY ƯỚC: • Nếu quá trình là khử ϕ > 0 •  chất Oxy hóa có tính Oxy hóa > H + Nếu quá trình là oxy hóa ϕ < 0  chất Khử có tính Khử > H 2 8 8 © 2006 Brooks/Cole - Thomson SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA PIN • Pin Zn-Cu: (-) Cu|Zn | ZnSO 4 || CuSO 4 | Cu (+) • Kí hiệu pha: 1 2 3 4 1' • Sức điện động của pin là hiệu thế ở pha 1 và 1'. • E= ϕ 1' - ϕ 1 • Khi xét chi tiết các bước nhảy thế ở các ranh giới phân chia pha ta có: • E= (ϕ 1' -ϕ 4 ) + (ϕ 4 - ϕ 3 ) + (ϕ 3 - ϕ 2 ) + (ϕ 2 -ϕ 1 ) • Khi bỏ qua thế khuếch tán thì: ϕ 4 - ϕ 3 =0 • E= Δϕ 1',4 + Δϕ 3,2 + Δϕ 2,1 • Với Δϕ i,j là hiêïu thế giữa hai điểm nằm sâu trong lòng hai pha i,j. • Do Δϕ i,j không đo được bằng thực nghiệm nên phải sử dụng điện cực so sánh. 9 9 © 2006 Brooks/Cole - Thomson • Để xác đònh SĐĐ của pin: • (-) M 2 | M 1 | L 1 || L 2 | M 2 (+) (mạch A) • ta tạo hai mạch:(-) M 0 | L 0 || L 1 | M 1 | M 0 (+) (mạch B) • (-) M 0 | L 0 || L 2 | M 2 | M 0 (+) (mạch C) • Ta có: • E A = Δϕ M2,L2 + Δϕ L1,M1 + Δϕ M1,M2 • E B = Δϕ M0,M1 + Δϕ M1,L1 + Δϕ L0,M0 • E C = Δϕ M0,M2 + Δϕ M2,L2 + Δϕ L0,M0 • E C -E B = (Δϕ M0,M2 - Δϕ M0,M1 ) + Δϕ M2,L2 - Δϕ M1,L1 • = Δϕ M1,M2 +Δϕ M2,L2 + Δϕ L1,M1 • Nên: E A = E C -E B • Nếu điện cực so sánh là điện cực tiêu chuẩn Hydro thì E C , E B làthếđiệncựcϕ C , ϕ B của cực (+) & cực (-) 10 10 © 2006 Brooks/Cole - Thomson • Sức điện động của một mạch điện hóa bằng hiệu thế giữa thế điện cực dương và thế điện cực âm • (khi không có thế khuếch tán). E = ϕ + – ϕ – [...]... cation là Mh+ và Mn+ Hệ này sẽ có ba quá trình điện cực: • 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) nên: • ΔG3 = ΔG1 - ΔG2 → (h-n)ϕh/n = hϕh nϕn → (h-n)ϕh/n = hϕh nϕn © 2006 Brooks/Cole - Thomson PHÂN LOẠI ĐIỆN CỰC • (a) Điện cực loại 1 • (b) Điện cực loại 2 • (c) Điện cực loại 3 • (d) Điện cực khí • (e) Điện cực oxy hóa... hóa và khử • Ví dụ: Fe3+ | Fe2+, Pt Ox || Kh, Pt :: Ox + ne → Kh Ox • Kh, Pt Ox + ne → Kh Điện cực hỗn hống Điện cực thủy tinh © 2006 Brooks/Cole - Thomson 21 22 Các loại mạch điện hóa • a Mạch hóa học – mạch nồng độ: • Mạch hóa học: hai điện cực khác nhau về bản chất hóa học hình thành một pin • Mạch nồng độ: hai điện cực giống nhau về bản chất hóa học nhưng khác nhau về hoạt độ của dung dòch điện cực. .. hơn sđđ của mạch • V > E : mạch làm việc như điện phân (thu điện) • * Nếu V < E: mạch làm việc như pin điện (máy phát điện) © 2006 Brooks/Cole - Thomson 24 • Mạch thuận nghòch: • Tùy vào điện thế áp vào mạch, p/ứ oxy hóa khử có thể xảy ra theo hai chiều ngược nhau • chế tạo nguồn điện làm việc nhiều lần • Mạch không thuận nghòch • Khi thay đổi điện thế áp vào mạch, thì xảy ra 2 p/ứ oxy hóa khử khác...NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA PIN VÀ ĐIỆN CỰC: • 1 Phương trình nhiệt động cơ bản của pin: ΔG = – nFE ΔG = – nFE • • • J số điện tử trao đổi © 2006 Brooks/Cole - Thomson V số Faraday 11 12 2 Ảnh hưởng của nồng độ đến SĐĐ (E) và thế điện cực (ϕ) - Phương trình Nernst: • Xét phản ứng tổng quát xảy ra trong pin: • aA + bB ⇔ dD + eE • Theo phương trình đẳng nhiệt Vant’ Hoff,... DỤNG CỦA PHÉP ĐO SỨC ĐIỆN ĐỘNG (tự đọc) • • • • 1 Phương pháp đo sức điện động 2 Đo pH 3 Chuẩn độ điện thế 4 Xác đònh một số đại lượng hóa lý: số tải, γ±, tích số tan © 2006 Brooks/Cole - Thomson 29 CÁC NGUỒN ĐIỆN HÓA Pin sơ cấp Pin thứ cấp Pin nhiên liệu 30 Pin sơ cấp — làm việc 1 lần trên cơ sở pin khơng thuận nghịch -> khơng thu lại chất ban đầu © 2006 Brooks/Cole - Thomson • Pin thứ cấp (Acquy)... aAn− n.F Điện cực khí: kim loại trơ tiếp xúc với khí và ion khí H++ || H22,, Pt :: 2H++ + 2e → H22 H H Pt 2H + 2e → H OH–– || O22,, Pt :: O22 + 2H22O + 4e → 4OH–– OH O Pt O + 2H O + 4e → 4OH Cl–– || Cl22,, Pt :: Cl22 + 2e → 2Cl–– Cl Cl Pt Cl + 2e → 2Cl • Kim loại trơ : truyền dẫn điện tử • xúc tác cho p/ứ điện cực © 2006 Brooks/Cole - Thomson 20 Điện cực oxy hóa khử: gồm một kim loại trơ nhúng vào một... PT Nernst cho phản ứng ở điện cực: • Ox + ne = Kh • → 13 R.T a Kh ln ϕ=ϕ − n.F a Ox 0 • Ở 250C, T=298 K , R= 8,314, F=96500, ln10 = 2,303 thì: • 0,059 aKh lg ϕ =ϕ − n aOx 0 • ϕ0 : thế điện cực chuẩn (là thế điện cực khi hoạt độ các cấu tử bằng 1) © 2006 Brooks/Cole - Thomson 3 Ảnh hưởng của nhiệt độ: ΔH dE E=− +T n.F dT • Hệ số nhiệt độ của SĐĐ • Hệ số nhiệt độ của thế điện cực: • Trong khoảng T hẹp... 2006 Brooks/Cole - Thomson 16 Điện cực loại 1: điện cực thuận nghòch cation/anion 17 Kim loại hoặc phi kim nhúng vào dd chứa ion của nó M || Mnn++ :: Mn+ + ne → M M M Mn+ + ne → M A || An- :: A + ne → AnA AnA + ne → AnPt Nernst: Pt Nernst: aM R.T R.T 0 ln ln aM n+ ϕ =ϕ − =ϕ + n.F aM n+ n.F 0 R.T aAn− R.T 0 ϕ =ϕ − =ϕ − ln ln aAn− n.F aA n.F 0 © 2006 Brooks/Cole - Thomson Điện cực loại 2: 18 Kim loại được... loại 2: 18 Kim loại được phủ chất khó tan của chính nó (muối, oxit, hydroxyt) nhúng vào dd chứa anion của hợp chất khó tan M || MA || An- :: MA + ne → M + AnM MA An- MA + ne → M + AnR.T ϕ =ϕ − ln aAn− n.F 0 Điện cực calomel: Cl- | Hg2Cl2 | Hg, Pt Điện cực bạc – clorua bạc: Cl- | AgCl | Ag © 2006 Brooks/Cole - Thomson Điện cực loại 3: 19 kim loại tiếp xúc với hai muối khó tan có chung anion • M’n+ | M’A,... Brooks/Cole - Thomson 23 b Mạch có tải và mạch không tải: • Mạch có tải: khi hai điện cực có hai dung dòch, giống hoặc khác nhau về bản chất, tiếp xúc nhau qua màng xốp → tồn tại thế khuếch tán • Mạch không tải: 2 dung dòch điện cực không tiếp xúc trực tiếp nhau • Có thể sử dụng mạch kép để loại bỏ hoàn toàn thế khuếch tán © 2006 Brooks/Cole - Thomson c Mạch thuận nghòch và không thuận nghòch: • Phản ứng . Thomson PHÂN LOẠI ĐIỆN CỰC • (a) Điện cực loại 1 • (b) Điện cực loại 2 • (c) Điện cực loại 3 • (d) Điện cực khí • (e) Điện cực oxy hóa khử 17 17 © 2006 Brooks/Cole - Thomson Điện cực loại 1: điện cực thuận. E C -E B • Nếu điện cực so sánh là điện cực tiêu chuẩn Hydro thì E C , E B làthếđiệncựcϕ C , ϕ B của cực (+) & cực (-) 10 10 © 2006 Brooks/Cole - Thomson • Sức điện động của một mạch điện hóa bằng. một điện cực làm chuẩn để so sánh: • Điện cực chuẩn Hydro •Qui ướcϕ 0 H+/H2 = 0 • 2H + + 2e - → H 2 7 7 © 2006 Brooks/Cole - Thomson • Khi ghép điện cực khảo sát với điện cực chuẩn thì sức điện