Chuyên đề:
MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THẾ ĐIỆN
CỰC VÀ SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA PIN ĐIỆN HÓA
Đặt vấn đề
Trong chương trình THPT chuyên, nội dung kiến thức
được mở rộng và nâng cao trong đó có phần điện hóa. Trong
các đề thi học sinh giỏi quốc gia cũng thường xuyên có các
bài tập phần này. Để học sinh có thể giải quyết được các bài
tập dạng này, các thầy cô cần trang bị cho học sinh các kiến
thức căn bản về điện hóa: cặp oxi hóa khử, thế điện cực, cân
bằng điện hóa và cách tính cân bằng điện hóa,... Nội dung
phần điện hóa vô cùng phong phú và đa dạng, trong điều
kiện bài viết này, tôi xin trình bày một số yếu tố ảnh hưởng
đến thế điện cực và sức điện động của pin điện hóa.
Nội dung
A. Lý thuyết
I. Thế điện cực và sức điện động của pin
Trên ranh giới phân chia giữa kim loại (vật dẫn loại
một) và dung dịch chất điện li (vật dẫn loại hai) xuất hiện
một hiệu thế được gọi là thế điện cực có độ lớn được xác
định bởi phương trình Nernst:
Trong đó:
R là hằng số khí (R = 8,314 J.mol-1.K-1)
T là nhiệt độ tuyệt đối,
n là số electron trao đổi trong phản ứng điện
cực (oxh + ne → kh)
F là hằng số Faraday (F = 96500 Culong.mol-1).
ϕ0 là thế điện cực tiêu chuẩn của cặp oxi hóa
khử.
Tại 250C:
Khi ghép hai điện cực vào nhau theo một quy ước được
một pin điện hóa. Theo quy ước quốc tế, anot nằm ở bên trái
xảy ra quá trình oxi hóa, catot nằm bên phải xảy ra quá trình
khử.
Ví dụ:
pin điện hóa anot (-) Zn Zn2+ Cu2+ Cu
(+) catot
Phản ứng trong pin:
Catot
Anot
Zn → Zn2+ + 2e
Cu2+ + 2e → Cu
Sức điện động của pin E pin = ϕcatot - ϕanot chính là hiệu
điện thế giữa hai cực của pin điện hóa.
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện cực và sức điện
động của pin
Với một điện cực, giá trị ϕ0, E0pin chỉ phụ thuộc bản chất
và nhiệt độ
∆G0 = ∆H0 - T.∆S0 = nF. E0pin
Tại các điều kiện không chuẩn ϕ và E phụ thuộc vào đại
lượng
, qua đó có thể thấy nhiệt độ (T) và các yếu tố
ảnh hưởng đến nồng độ dạng oxh và dạng kh sẽ ảnh hưởng
đến ϕ và E. Các yếu tố ảnh hưởng đó được trình bày thông
qua các dạng bài tập dưới đây:
B. Bài tập
I. Điện cực loại I: Mn+/M (kim loại M nhúng trong dung
dịch Mn+).
Trong trường hợp này, M ở thể rắn (khác pha với dung
dịch chất điện lic chứa dạng oxi hóa M n+) nên hoạt độ của M
được coi bằng đơn vị.
Dạng 1: Ảnh hưởng của pH đến thế điện cực
Ta có
Mn+ + H2O
→ M(OH)(n-1)+ + H+
[Mn+] = αMn+. CMn+ =
*β = ?
.CMn+
Khi h([H+]) >> *β thì pH coi như không ảnh hưởng đến
[Mn+].
Khi h ≈ *β (0,01. *β < h < 100. *β) pH có ảnh hưởng
đến [Mn+].
Chú ý khi pH tăng có thể dẫn tới kết tủa M(OH) n làm
giảm CMn+.
Ví dụ 1: Cho biết sự phụ thuộc của thế điện cực Cu trong
dung dịch Cu(NO3)2 0,1M theo pH trong khoảng chưa có kết
tủa Cu(OH)2.
Cho *βCu(OH)+ = 10-8,7 ; E0Cu2+/Cu = 0,34 V.
Ví dụ 2: Tính thế của điện cực Fe trong dung dịch FeSO 4
0,2M tại các môi trường sau:
a. pH = 2
b.pH = 3
c. pH = 5
(Cho
E0Fe2+/Fe = -0,44 V).
Dạng 2: Ảnh hưởng của sự tạo hợp chất ít tan
mMn+ + nXm- → MmXn↓
TMmXn = [Mn+]m.[Xm-]n
EMn+/M = E0Mn+/M +
Khi cân bằng tạo kết tủa xảy ra, ta có thể tính [M n+] theo
[Xm-] và TMmXn
Ví dụ 3: Tính thế của điện cực Ag nhúng trong dung dịch:
a. AgNO3 0,01 M
b. AgCl bão hòa trong
nước
c. AgCl bão hòa trong KCl 0,1M
d.
AgCl
và
PbCl2 bão hòa trong nước.
Cho E0Ag+/Ag = +0,799 V ;
TAgCl = 1,8.10-10;
TPbCl2 = 10-4,6.
Ví dụ 4: Cho sơ đồ pin điện hóa: (-) NiNiCl2 0,1M; HCl
1M AgNO3 0,2M Ag (+)
a. Viết các phản ứng điện cực và phương trình phản ứng
xảy ra trong pin.
b. Tính sức điện động của pin tại 250C.
c. Sức điện động của pin thay đổi như thế nào khi thêm
vào điện cực phải một lượng KCl?
Cho E0Ag+/Ag = +0,799 V ; E0Ni2+/Ni = - 0,259 V ;
TAgCl = 1,8.10-10;
Dạng 3: Ảnh hưởng của sự tạo phức
Mn+ + qL → MLqn+
;
β MLqn+
Nếu có sự tạo thành nhiều loại phức chất khác nhau, ta
phải xét tất cả các cân bằng tạo phức đó. Trong trường hợp
có thể bỏ qua các cân bằng phụ, ta chỉ cần tính gần đúng
theo các cân bằng chính.
Ví dụ 5: Cho sơ đồ pin điện hóa: (-) CuCuCl2 0,01M
AgNO3 0,02M Ag (+) tại 250C.
a. Viết phương trình phản ứng điện cực và phương trình
phản ứng xảy ra trong pin.
b. Tính sức điện động của pin.
c. Tính sức điện động của pin nếu:
- Thêm NH3 vào điện cực trái đến nồng độ 1M.
- Thêm vào điện cực phải KCN đến nồng độ 0,5M.
Cho E0Ag+/Ag = +0,799 V; E0Cu2+/Cu = 0,34 V;
lgβCu(NH3)42+
= 12,3; lgβAg(CN)2- = 16.
Hướng dẫn: a,b tự giải
c, khi thêm NH3 vào điện cực trái có cân bằng Cu2+ +
4NH4 = Cu(NH3)42+ trong trường hợp này C0NH3 >> C0Cu2+ do
đó dễ dàng tính được [Cu2+].
Tương tự, khi thêm KCN (CN-) vào điện cực phải có: Ag+ +
2CN- = Ag(CN)2- ta cũng tính được [Ag+]. Theo phương
trình Nernst ta có thể tính được thế điện cực mới từ đó tính
sức điện động của pịn
Dạng 4: Ảnh hưởng tổng hợp của nhiều yếu tố.
Thông thường ta có thể xác định yếu tố chính ảnh
hưởng đến [Mn+] thông qua việc đánh giá các cân bằng, khi
đó bài toán sẽ đơn giản hơn. Trong trường hợp không đánh
giá được yếu tố chính ảnh hưởng đến [M n+] bài toán sẽ phức
tạp hơn.
Ví dụ 6: Tính thế của điện cực Ag nhúng trong dung dịch
AgNO3 0,01M; NH3 1M.
Cho E0Ag+/Ag = +0,799 V;
βAg(NH3)+ = 103,92;
βAg(NH3)2+ = 107,23;
*βAg(OH) = 10-11,7 ;
pKNH4+ = 9,24.
Hướng dẫn: Các cân bằng: Ag+ + H2O = Ag(OH) + H+ ;
*β = *βAg(OH) = 10-11,7
(1)
Ag+ + NH3 = Ag(NH3)+ ;
βAg(NH3)+ = 103,92
β1 =
(2)
Ag+ + 2NH3 = Ag(NH3)2+ ;
β2 =
βAg(NH3)2+ = 107,23 (3)
Do C0Ag+ ... pin điện hóa: (-) NiNiCl2 0,1M; HCl 1M AgNO3 0,2M Ag (+) a Viết phản ứng điện cực phương trình phản ứng xảy pin b Tính sức điện động pin 250C c Sức điện động pin thay đổi thêm vào điện cực. .. lập II Điện cực loại II: Vật dẫn (trơ) nhúng dung dịch chứa cặp oxi hóa – khử Nếu dạng oxi hóa dạng khử Mn+ yếu tố ảnh hưởng đến điện cực sức điện động pin tương tự Ví dụ 7: Tính điện cực Pt... lượng , qua thấy nhiệt độ (T) yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ dạng oxh dạng kh ảnh hưởng đến ϕ E Các yếu tố ảnh hưởng trình bày thông qua dạng tập đây: B Bài tập I Điện cực loại I: Mn+/M (kim loại