Bài giảng hóa lý chương 6 pin – điện cực

Khái niệm pin điện hóa Pin là một hệ biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ phản ứng oxy hóa – khử xảy ra trên điện cực... Thế điện cực Hình thành lớp điện tích képTại ranh giới điện c

Trang 1

CHƯƠNG 6

PIN – ĐIỆN CỰC

Trang 2

Nội dung

6.1 Pin điện hóa

6.2 Nhiệt động học của pin và điện cực 6.3 Các loại điện cực và Mạch điện hóa 6.4 Ứng dụng của sức điện động

Trang 3

Quan sát mô hình sau (nguyên tố Gavanic Cu – Zn)

6.1.1 Khái niệm pin điện hóa

Trang 4

Cấu tạo

Hai dung dịch sunfat được chứa trong những dụng cụ riêng biệt và tiếp xúc với nhau bằng một cầu muối đó là ống thủy tinh chứa đầy dung dịch chất dẫn điện Na2SO4 Hai thanh kẽm và đồng được nối với nhau bằng dây dẫn kim loại

Nguyên tố gồm hai điện cực

Trang 5

Hiện tượng

 Kim điện kế G chỉ dòng điện đi từ Cu sang Zn

 Khối lượng Zn giảm, khối lượng Cu tăng

 [ZnSO4] tăng, [CuSO4] giảm

Trang 6

Quá trình làm việc

Zn Zn+2 + 2e

Ở điện cực kẽm (cực âm): xảy ra quá trình oxy hóa, sự khử

Ở điện cực đồng (cực dương): xảy ra quá trình khử, sự oxy hóa

Cu+2 + 2e Cu

Tổng phản ứng

Cu+2 + Zn = Cu + Zn2+

Trang 7

Khái niệm PIN

Pin là một hệ biến đổi hoá năng thành điện năng nhờ phản ứng oxy hóa – khử

xảy ra trên điện cực.

Trang 8

Ký hiệu

Ký hiệu nguyên tố Gavanic đồng - kẽm bằng sơ đồ sau:

(-) Zn/ ZnSO4// CuSO4/ Cu (+)hay (-) Zn/ Zn+2// Cu2+/ Cu (+)

Trang 9

Quy ước viết ký hiệu Pin

 Điện cực âm viết bên trái, cực dương viết bên phải

 Ngăn cách điện cực và dung dịch điện ly bằng 1 dấu gạch chéo

(khác pha) Điện cực gồm nhiều thành phần thì ngăn cách giữa các thành phần bằng dấu phẩy

 Ngăn cách 2 dung dịch điện ly bằng 2 dấu gạch chéo (//) hoặc

một vạch 3 chấm nếu tại ranh giới có điện thế khuếch tán

(-) Zn/ ZnSO4//CuSO4/Cu (+); (-) Zn/ ZnSO4  CuSO4/Cu (+); (-) Pt/Fe2+(0.10 M),Fe3+(0.20 M)//Ag+(1.0 M)/Ag(+)

.

Trang 10

Một vài mô hình về Pin điện hóa

Trang 11

Zn(s) | Zn2+(aq) || Cu2+(aq) | Cu(s) Ecell = 1.103 V

Trang 12

Pin có điện cực khí

Trang 13

(-)Pt|Fe2+(0.10 M),Fe3+(0.20 M)||Ag+(1.0 M)|Ag(+)

Trang 14

6.1.2 Thế điện cực

+ + + + + +

– – – – – –

+ + + + + +

Khảo sát quá trình nhúng thanh kim loại vào dung dịch

Sự hình thành lớp điện tích kép tại ranh giới điện cực

Trang 15

Kết quả

Hình thành lớp điện tích képTại ranh giới điện cực – dung dịchBước nhảy thế (Hiệu điện thế)

Sức điện động =  bước nhảy thế

Thế điện cực

Trang 16

Định nghĩa

Thế điện cực của một điện cực là đại lượng biểu diễn bằng sự khác biệt thế của điện cực đó so với điện cực chuẩn Ký hiệu: φ

Trang 17

 Khi hoạt độ = 1; PH2 = 1atm

thì trở thành điện cực hydro chuẩnφ0H  / H 2 = 0.

Trang 18

φ0Cu2 /Cu  

+ Lập pin: (-) Pt,H2H+Zn2+Zn (+) + aZn2+ = 1; 250C; đo E = -0,7628V

0,7628

φ0Zn2 /Zn  

Trang 19

T : nhiệt độ tuyệt đối (K)

RT φ

Trang 20

Phương trình Nernst

Khi T = 298K, R = 8,314 J/mol.K; F = 96500 Culông và ln = 2,3lg

ta được dạng cụ thể của phương trình Nernst cho phép tính thế điện cực của một điện cực bất kỳ ở 250C:

oxy

kh 0

C

C ln nF

RT φ

φ  

oxh

kh 0

C

C lg n

0,059 φ

φ  

Trang 21

Chúng ta xét nguyên tố gavanic đồng - kẽm:

(-) Zn/ Zn2+// Cu2+/ Cu (+) Xác định thế điện cực của đồng và kẽm??

Ví dụ

Trang 22

(-) Zn/ Zn2+// Cu2+/ Cu (+)Phản ứng điện cực:

+ Cực (-): Zn = Zn2+ + 2e

+ Cực (+): Cu2+ + 2e = Cu

2

2 2

Cu

0

Cu / Cu Cu

/

1 ln

F 2

RT φ

Zn

0

Zn / Zn Zn

/

1 ln

F 2

RT φ

Trang 24

 Khi làm việc, pin sinh dòng điện tạo ra từ công hữu ích A của phản

ứng oxy hóa – khử

 Khi pin làm việc thuận nghịch nhiệt động của Pin chính là độ giảm

công hữu ích cực đại A’max Theo nguyên lý 2:

ΔG = - A’G = - A’max

A’max = q.E = nFE

 Vậy:

n : số electron trao đổi trong quá trình điện cực.

ΔG = - A’G = -nFE

Phương trình nhiệt động cơ bản của pin6.2 Nhiệt động học của Pin và điện cực

6.2.1 Công điện của pin

Trang 25

Vậy: E = φ+ - φ

-6.2 Nhiệt động học của Pin và điện cực

6.2.2 Sức điện động của pin

Chú ý:

[1] vì E > 0 nên φ+> φ

[2] Cho thế điện cực  cực dương – âm của PIN

Sức điện động = (thế điện cực dương) – (thế điện cực âm)

Trang 26

Xét nguyên tố ganvanic đồng - kẽm:

(-) Zn/ Zn2+// Cu2+/ Cu (+) Xác định sức điện động của PIN trên???

Ví dụ

6.2 Nhiệt động học của Pin và điện cực

Trang 27

Sức điện động của nguyên tố ganvanic đồng - kẽm là:

2

Cu

Zn 0

C

ClnF2

RTE

0 Cu

C

ClnF2

RT)

φφ

Trang 28

Giả sử phản ứng xảy ra trong pin:

aA + bB = cC + dDPhương trình Nernst:

– sức điện động tiêu chuẩn – thế điện cực tiêu chuẩn của điện cực (+) và (-)

0 0

a A

d D

c C 0

.C C

.C

C lg nF

RT -

d D

c C 0

.C C

.C

C lg n

0,059 -

E

= E

250C

Trang 32

Cho pin với ký hiệu như sau:

(-) Zn / ZnCl2 (C = 0,5M) / AgCl , Ag (+)

a Viết phương trình phản ứng xảy ra trong pin?

b Tính E0 biết thế chuẩn kẽm và bạc-bạc clorua là

Trang 33

Trong khoảng nhiệt độ hẹp, xem không đổi và gần 250C ta có phương trình quan hệ:

Đối với sức điện động:

Đối với thế điện cực:

nF

S nF

S

S T

S

S T

6.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

t



Trang 34

- Nếu E > 0  ΔG = - A’G < 0: phản ứng xảy ra theo chiều thuận.

- Nếu E < 0  ΔG = - A’G > 0: phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại

- Nếu E = 0  ΔG = - A’G = 0: phản ứng cân bằng

Trang 35

6.2.5 Khảo sát phản ứng

Quan hệ giữa E – Thông số nhiệt động

 Khi khảo sát một phản ứng, thành lập PIN củua phản ứng

đó, tiến hành đo SỨC ĐiỆN ĐỘNG E

 Dựa vào quan hệ E – dE/dt với các thông số nhiệt động từ

S



Trang 36

Cho phản ứng của một pin như sau:

Hg2+ + 2Fe2+ = 2Hg + 2Fe3+

Có hằng số cân bằng K1 = 0,018 ở 250C và K2 = 0,054 ở 350C Tính G0 và H0 của phản ứng ở 250C?

Bài tập 6

Trang 37

Cho nguyên tố Gavanic như sau:

(-) Cu / Cu(CH3COO)2 0,1m / AgCH3COO, Ag (+)Người ta tiến hành thực nghiệm và đo được các kết quả sau:

E298K = 0,372V; E308K = 0,374V;

Biết thế chuẩn bạc và đồng: 0,8V và 0,34V (số liệu dư)

a Viết các phản ứng điện cực và phản ứng trong pin?

b Tính G, H, S của phản ứng trong pin ờ 250C?

Bài tập 7

Trang 38

Cho pin điện hóa: (-) Pt, H2 (1atm) / HCl 0,01m / AgCl, Ag (+) Pin

có sức điện động bằng 0,4645V ở 250C Biết thế chuẩn của điện cực bạc – bạc clorua bằng 0,2225V và dung dịch HCl có nồng độ khảo sát là 0,01m?

a Viết phản ứng điện cực và phản ứng xảy ra trong pin?

b Viết biểu thức tính sức điện động của pin?

c Tính hệ số hoạt độ trung bình HCl theo Debye – Huckel

d Tính pH của dung dịch HCl 0,01m và so sánh kết quả tìm được với giá trị pH tính toán theo định luật Debye – Huckel?

Bài tập 8

Trang 39

Khảo sát phản ứng clo hóa bạc:

Ag + ½ Cl2 = AgCl

Ta lập Pin: (-) Ag,AgCl/HCl/Cl2,Pt (+) + Cực âm: Ag + Cl- - e = AgCl (r) + Cực dương: ½ Cl2 + e = Cl-

Đo sức điện động pin này: E = 1,132V (ở 250C)

Đo hệ số nhiệt độ: dE/dT = -0,000477V/KTính:

G = -nFE = 26.100 cal S = nF.dE/dT = -11 cal/K H = -29.380 cal

Ví dụ

Trang 44

Điện cực

6.3 Các loại điện cực – Mạch điện hóa

6.3.1 Phân loại điện cực

Điện cực loại 1 Điện cực loại 2 Điện cực loại 3 Điện cực khí

Điện cực oxh-kh Điện cực hỗn hống

Điện cực calomel

Điện cực Ag - AgCl

Trang 45

 Định nghĩa điện cực

 Ký hiệu điện cực

 Phản ứng xảy ra trên điện cực

 Phương trình Nernst áp dụng tính thế 

Nội dung cần nắm đối với một điện cực

Trang 46

M M

M

0 /M M

/M

nF

RT φ

a

a ln nF

RT φ

φ

n -

-n

n -

-n -

0 /A

A A

A

0 /A A

/A

nF

RT φ

a

a ln nF

RT φ

Trang 47

Điện cực đồng: Cu2+/CuPhản ứng điện cực: Cu2+ + 2e = CuPhương trình Nernst ở 250C:

C u

C

0 /Cu u

C /Cu

u

2

0,059 φ

a

1 lg

nF

RT φ

φ

Điện cực loại 1

Ví dụ:

Trang 48

Trang 49

MA + ne = M + A

n-Kim loại M được phủ một hợp chất khó tan (muối, oxit hay hydroxit) của kim loại đó và nhúng vào dung dịch chứa anion của hợp chất khó tan đó

nF

RT φ

φ

Trang 50

[1] Điện cực Calomel : Pt, Hg/ Hg2Cl2/ Cl

-[2] Điện cực bạc – clorua bạc : Ag, AgCl/ Cl

-Bao gồm

Trang 51

Trang 52

-6.3 Các loại điện cực – Mạch điện hóa

Trang 53

Điện cực bạc – iodua bạc

Ag/ AgI/ I

-Điện cực loại 2

Trang 54

Điện cực antimoine: OH- / Sb2O3 / SbPhản ứng điện cực: Sb2O3 + 3H2O + 6e = 2Sb + 6OH–

Phương trình Nernst ở 250C:

-

-3 2

3

0

OH /Sb, O

Sb OH

/Sb, O

-2

pH 059 ,

0 145

,



Đo pH

Trang 55

(Muối MA có độ tan nhỏ hơn M‘A)

Kim loại tiếp xúc với hai muối khó tan có chung anion, được nhúng vào dung dịch chứa cation của muối khó tan thứ hai

Trang 56

Điện cực: Ca2+/ CaCO3, PbCO3 / PbPhản ứng điện cực: PbCO3 + Ca2+ + 2e = Pb + CaCO3

PbCO 3 có độ tan nhỏ hơn CaCO 3 (T PbCO3 < T CaCO3 )

Phương trình thế điện cực:

0

F2

RTT

lnF2

RTT

lnF2

RTφ

φ

Trang 57

Kim loại trơ tiếp xúc đồng thời với khí và dung dịch chứa ion

khí này (Kim loại trơ thường là Pt).

Điện cực khí

Định nghĩa

[1] Điện cực hydro : H+ / H2, Pt[2] Điện cực oxy : OH– / O2, Pt [3] Điện cực clo : Cl– /Cl2, PtBao gồm

Trang 58

Pt, H2 / H+

PH2 = 1atm2

2 2

2 H 0

/H H /H

H

a ln

H

P nF

0pH

059,

0

Điện cực khí hydro

Trang 59

OH– /O2, Pt

Điện cực khí oxy

O 0

/O OH /O

P ln F

4

RT φ

2 2



Trang 60

Cl– / Cl2, Pt

Điện cực khí Clo

Cl 0

/Cl Cl /Cl

PlnF2

RTφ

2 2



Trang 61

Trang 62

Mn+ + ne = M (Hg)

Hệ gồm hỗn hống của kim loại tiếp xúc với dung dịch chứa ion kim lại đó

Điện cực hỗn hống (amalgam)

M

) Hg (

M 0

(Hg) /M,

M (Hg) /M,

a ln nF

RT φ

φ

Trang 63

Điện cực hỗn hống cadimi:

Ký hiệu điện cực: Cd2+ / Cd (Hg)Phản ứng điện cực: Cd2+ + 2e = Cd (Hg)Thế:

d C

) Hg ( Cd 0

Hg /Cd, d

C Hg

/Cd, d

a ln nF

RT φ

φ

Điện cực hỗn hống

Ví dụ:

Ứng dụng Điện cực này (12,5% Cd) chế tạo pin Weston – Sức điện động

không đổi

Trang 64

Hệ gồm kim loại trơ (Pt) nhúng vào dung dịch chứa đồng thời hai dạng oxy hóa khử.

Oxh + ne = Kh

Điện cực oxy hóa khử - Redox

a

a ln nF

RT φ

Trang 65

Một số điện cực thông dụng:

+ Điện cực đơn giản: Pt, Fe2+/ Fe3+

+ Điện cực phức tạp: Pt, Mn2+/ MnO4-, H+

+ Điện cực quinhidron: Pt, C6H4(OH)2/ C6H4O2

Trang 66

Điện cực đơn giản: không thay đổi thành phần các ion

, 2 /Fe 3 Fe 2

3

Fe

0 Pt

, /Fe

a lg F 1

RT φ

φ

Trang 67

Điện cực phức tạp: có thay đổi thành phần các chất

Ký hiệu: MnO4-,H+ / Mn2+, Pt

Phản ứng điện cực: MnO4- + 8H+ + 5e = Mn2+ + 4H2OThế:

2 H MnO

Mn

0 Pt

, /Mn H , nO

a lg

F 5

RT φ

φ

4

2 Pt

, 2 /Mn H , 4 nO M

2 4

Trang 68

Điện cực quinhidron:

Điện cực: Pt, C6H4(OH)2/C6H4O2Phản ứng điện cực:

C6H4O2 + 2H+ + 2e = C6H4(OH)2

Quinhidron C6H4O2.C6H4(OH)2 là hỗn hợp đồng phân tử của quinon C6H4O2 (Q) và hidroquinon C6H4(OH)2 (QH2)

Trang 69

Điện cực quinhidron:

C6H4O2 + 2H+ + 2e = C6H4(OH)2

Trang 70

Khi aQ/aQH2 = 1 thì:

pH059,

069976,

0

Điện cực này dùng như điện cực chỉ thị đo pH dung dịch

Q

QH H

0 quinh 2

H Q

QH 0

quinh quinh

a

alnF2

RTlna

F

RTφ

.aa

alnF2

RTφ

RT303,2φ

Trang 71

Trong mạch này, pin được hình thành từ các điện cực khác nhau về bản chất hóa học, gây ra dòng điện trong mạch.

Trang 72

Ví dụ: Pin Jacobi – Daniell: (-) Zn/ Zn2+ (a1) // Cu2+ (a2) / Cu (+)

Phản ứng cực âm: Zn - 2e = Zn2+

Phản ứng cực dương: Cu2+ + 2e = CuPhản ứng mạch: Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+

Sức điện động (250C):

2

1

0 Cu/Zn

a

a lg 2

059 ,

0 E

Mạch Hoá học

6.3.2 Mạch điện hóa

Trang 73

Ví dụ: Mạch với dd điện phân: (-) Zn / ZnCl

2 // Hg2Cl2 / Hg, Pt (+)

Phản ứng cực âm: Zn - 2e = Zn2+

Phản ứng cực dương: Hg2Cl2 + 2e = 2Hg + 2Cl

-Phản ứng mạch: Zn + Hg2Cl2 = 2Hg + ZnCl2Sức điện động:

0E

E  

Mạch Hoá học

6.3.2 Mạch điện hóa

Trang 74

Trong mạch này, hai điện cực giống nhau về bản chất hóa học nhưng khác nhau về hoạt độ của dung dịch điện cực.

Trang 75

Mạch chứa pin: (-) Ag/ AgNO3 (a’) // AgNO3 (a”) / Ag (+)

"

alg059,

0

"

a

'alg1

059,0E

2 0

a

alg2

059,

0a

alg2

059,0E

E   

2

1 1

2 0

P

Plg2

059,

0P

Plg2

059,0E

E   

Trang 76

Mạch có tải là mạch mà hai điện cực có hai dung dịch tiếp xúc với nhau qua màng ngăn.

Tại ranh giới (ký hiệu dấu 3 chấm), các ion di chuyển là xuất hiện thế khuếch tán

Trang 77

Là mạch trong đó có 2 điện cực cùng được nhúng vào trong một dung dịch hay 2 dung dịch được tách ra khỏi nhau

Trang 78

6.4 Ứng dụng của sức điện động

Chuẩn độ điện thế

Đo pH thông qua sức điện động của pin

Xác định các đại lượng hóa lý: số tải, tích số tan, hệ số hoạt độ…

Trang 80

Điện cực chỉ thị là điện cực hydro

Điện cực chỉ thị là điện cực quinhydron

6.4 Ứng dụng của sức điện động

6.4.1 Đo pH của dung dịch

E = Cal - hydro

E = quinh - cal

Trang 81

Tính được nồng độ điểm tương đương

Suy ra kết quả chuẩn độ

Trang 82

Khảo sát chuẩn độ HCl bằng NaOH, ta có phản ứng sau:

HCl + NaOH = NaCl + H2OLập Pin: (-) Pt, H2 / HCl (x) // KCl / Hg2Cl2, Hg (+)Sức điện động:

Trang 83

E = (VNaOH); E/V = (VNaOH);

 Tại điểm tương đương, ta quan sát

bước thế

E = V)

Vtđ

E/V = V) E; E/V

V

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	1,38 MB