Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương Chương 8: ĐIỆN HĨA HỌC 8.1 Các phản ứng oxi hóa khử 8.1.1 Phản ứng oxi hóa khử - Phản ứng oxi hóa khử phản ứng có thay đổi số oxy hóa vài nguyên tố Trong nguyên nhân có chuyển dời hoàn toàn (hoặc phần) electrron từ nguyên tử nguyên tố sang nguyên tử nguyên tố 2.1e + 2Na + Cl2 = 2Na Cl 2Na - 2e- = Na+ oxi hóa Cl2 + 2e- = Cl- khử - Quá trình cho electron gọi oxy hóa - Q trình nhận electron gọi khử - Chất oxy hóa chất chứa nguyên tố nhận electron - Chất khử chất chứa nguyên tố cho electron 8.1.2 Thiết lập phương trình phản ứng oxi hóa khử a/ Phương pháp cân electron Phương pháp dựa vào bảo toàn electron nghĩa tổng số electron chất khử cho phải tổng số electron chất oxi hóa nhận Cân theo bước: Các bước Cách tiến hành Viết sơ đồ phản ứng với chất tham gia Xác định nguyên tố có số oxi hóa thay đổi Viết phương trình: * Khử (Cho electron) * Oxi hóa ( Nhận electron) Cân electron: Nhân hệ số để: Tổng số electron cho = Tổng số electron nhận (hay soh tăng = soh giảm) (soh: số oxi hóa) Cân nguyên tố: nói chung theo thứ tự: Kim loại (ion dương) Gốc axit (ion âm) Môi trường (Axit, bazơ) Nước (Cân H2O để cân hiđro) Kiểm soát số nguyên tử oxi hai vế (phải nhau) Ví dụ: Cu + HN O loãng → Cu N Cu ( NO ) + N O + H2O - 2e = Cu + 3e = N 3Cu + 2HNO3 → 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + H2O Sau thêm gốc NO3- (trong N khơng thay đổi số oxi hóa) nghĩa tất có HNO3 Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương Cuối ta có: 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O b/ Phương pháp cân ion – electron - Phương pháp khơng địi hỏi phải biết xác số oxi hóa ngun tố, áp dụng cho trường hợp phản ứng oxi hóa- khử xảy dung dịch, phần lớn chất oxi hóa chất khử tồn dạng ion: - Cân theo bước: Các bước Cách tiến hành Tách ion, xác định nguyên tố có số oxi hóa thay đổi viết nửa phản ứng oxi hóa khử Cân phương trình nửa phản ứng: + Cân số nguyên tử nguyên tố hai vế nửa phản ứng: - Thêm H+ hay OH- Thêm H2O để cân số nguyên tử hiđro - Kiểm soát số nguyên tử oxi hai vế (phải nhau) + Cân điện tích: thêm electron vào nửa phản ứng để cân điện tích Cân electron: Nhân hệ số để: electron electron soh tăng = soh giảm cho = nhận (hay Cộng nửa phản ứng, ta có phương trình ion thu gọn Để chuyển phương trình dạng ion thu gọn thành phương trình ion đầy đủ phương trình phân tử cần cộng vào hai vế lượng cation anion để bù trừ điện tích Ví dụ: Cân phương trình phản ứng: Al + HNO3 → Al(NO3)3 + N2O + H2O Bước 1: Tách ion, xác định nguyên tố có số oxihóa thay đổi viết nửa phản ứng oxihóa khử: Al + H+ + NO3- → Al3+ + 3NO3- + N2O + H2O → Al N O 3 Al → N O Bước 2: - Cân số nguyên tử nguyên tố hai vế nửa phản ứng: Al → Al NO + 10H+ → N2O + 5H2O - Cân điện tích Al - 3e = Al3+ NO + 10H+ + 8e = N2O + 5H2O Bước 3: Cân electron Al - 3e = Al3+ NO + 10H+ + 8e = N2O + 5H2O Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương 8Al - 24e = 8Al3+ NO + 30H+ + 24e = 3N2O + 15H2O Ta có : Bước : Cộng nửa phản ứng, ta có phương trình ion thu gọn : 8Al - 24e = 8Al3+ NO + 30H+ + 24e = 3N2O + 15H2O 8Al + NO + 30H+ = 8Al3+ + 3N2O + 15H2O Bước 5: Để chuyển phương trình dạng ion thu gọn thành phương trình ion đầy đủ phương trình phân tử cần cộng vào hai vế lượng cation anion để bù trừ điện tích Phương trình ta phải cộng hai vế với 24 NO Ta có: 8Al + NO + 30H+ + 24 NO = 8Al3+ + 3N2O + 15H2O + 24 NO Al + 30HNO3 = 8Al(NO3) + 3N2O + 15H2O Trong phản ứng oxihóa – khử, thường có tham gia mơi trường, tùy thuộc vào môi trường, khả phản ứng chất thay đổi a/ Phản ứng có axit tham gia Vế thừa oxi thêm H+ tạo H2O hay vế thiếu oxi thêm H2O tạo H+ VD: KMnO4 + KNO2 + H2SO4 → MnSO4 + KNO3 + K2SO4 + H2O Phản ứng oxi hóa: NO → NO Phản ứng khử: MnO MnO NO MnO → Mn2+ 4 + NO + 5e + 8H+ = Mn2+ + 4H2O - 2e + H2O = NO + 2H+ + 16H+ + 5H2O = 2Mn2+ + 8H2O + NO + 10H+ Giản ước H+ H2O hai vế, ta có: MnO + 16H+ NO = 2Mn2+ + 8H2O + NO 2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + 5KNO3 + K2SO4 + 3H2O b/ Phản ứng có kiềm tham gia Vế thừa oxi thêm H2O tạo OH- hay thiếu oxi thêm OH- tạo H2O Ví dụ: NaCrO2 + Br2 + NaOH → Na2CrO4 + NaBr + H2O Phản ứng khử: 2Br + 2e → 2BrPhản ứng oxihóa: CrO - 3e → CrO - 3e + 4OH- = CrO 24 + 2H2O 2Br + 2e = 2Br2 CrO + 8OH + 3Br2 = CrO 24 + 6Br- + 4H2O 2NaCrO2 + 8NaOH + 3Br2 = 2Na2CrO4 + 6NaBr + 4H2O CrO c/ Phản ứng có nước tham gia Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương Nếu sản phẩm sau phản ứng có axit tạo thành, ta cân theo phản ứng có axit tham gia, sản phẩm sau phản ứng có kiềm tạo thành ta cân theo phản ứng có kiềm tham gia VD: KMnO4 + K2SO3 + H2O → MnO2 + K2SO4 + KOH Phản ứng khử: MnO + 3e → MnO2 Phản ứng oxihóa: MnO - 2e → SO MnO SO SO + 3e + 2H2O = MnO2 + 4OH- 2e + 2OH- = + 4H2O + SO SO + H2 O + 6OH- = 2MnO2 + 8OH- + SO + 3H2O Giản ước: H2O OH- ta có: 2KMnO4 + 3K2SO3 + H2O = 2MnO2 + 3K2SO4 + 2KOH 8.2 Điện cực 8.2.1 Lớp điện tích kép * Nhúng kim loại (ví dụ: Zn) vào nước cân động thiết lập nhanh chóng: M + mH2O - ne- ⇌ Mn+.mH2O (trong dung dịch) + + + + +- -+ + - + + - + +- -+ + - + + - + +- -+ + - + + + ++ + + * Kết quả: bề mặt kim loại dung dịch xuất lớp điện tích kép sinh hiệu cân * Khả chuyển ion từ kim loại vào nước phụ thuộc vào lượng mạng lưới tinh thể kim loại lượng hiđrat hóa ion kim loại Khả kim loại khác nên kim loại có riêng VD: Thế kẽm giá trị lớn đồng * Nếu nhúng kim loại vào dung dịch muối kim loại đó, cân tương tự tồn Hình – Lớp điện tích kép 8.2.2 Điện cực - Hệ gồm kim loại nhúng dung dịch muối kim loại gọi điện cực - Hiệu cân sinh mặt kim loại lớp dung dịch bao quanh kim loại gọi điện cực VD: Thanh kẽm tiếp xúc dung dịch ZnSO4 - Sơ đồ điện cực: M n M - Phản ứng điện cực: Mn+ + ne- = M VD: Zn2+ + 2e- = Zn 8.3 Nguyên tố điện hóa (Nguyên tố Ganvani) a/ Khái niệm Nguyên tố điện hóa hay nguyên tố Ganvani cịn gọi nguồn điện hóa học hệ điện hóa cho phép biến đổi lượng phản ứng hóa học điện cực thành điện Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương b/ Cấu tạo Nguyên tố điện hóa gồm hai điện cực kim loại nhúng vào dung dịch điện phân VD : Điển hình cho nguyên tố điện hóa nguyên tố Đanien-Jacobi hay Pin Daniell gồm : Bản đồng kẽm dùng làm điện cực nhúng vào dung dịch đồng sunfat kẽm sunfat tương ứng có nồng độ xác định Hai dung dịch ngăn cách vách ngăn xốp để tránh pha trộn chúng c/ Hoạt động - Nếu hai điện cực nối dây dẫn mạch ngồi : - Khi hiệu đo E gọi suất điện động (viết tắt sđđ) nguyên tố ganvani Điện cực Zn gọi anod, xảy q trình : Cực âm : ⇒ Điện cực Cu catot, xảy trình : Cực dương : ⇒ Đối vơi tồn ngun tố, q trình oxi hóa khử tổng trình xảy điện cực (bán nguyên tố) tức : Pin : d/ Sơ đồ pin Sơ đồ nguyên tố điện hóa Đanien-Jacobi viết cách ngắn gon sau : ( ) Zn ZnSO CuSO Cu ( ) Ranh giới phân chia điện cực dung dịch ghi vạch dọc, ranh giới hai dung dịch ghi hai vạch Anot viết bên trái, catot bên phải Electron (tích điện âm) dời cực Zn (cực âm) tới cực Cu (cực dương) 8.4 Thế điện cực tiêu chuẩn a/ Định nghĩa - Điện cực chuẩn so sánh quốc tế chấp nhận điện cực hiđro tiêu chuẩn (áp suất khí H mol / l ) không ( E H = 0) 1atm nồng độ C H - Muốn xác định tương đối điện cực đó, người ta ghép điện cực với điện cực hiđro chuẩn thành pin điện ⇒ Thế điện cực tiêu chuẩn cặp oxi hóa – khử liên hợp suất điện động pin ráp điện cực chuẩn cặp oxi hóa – khử liên hợp với điện cực hidro tiêu chuẩn VD1 : Cần xác định điện cực tiêu chuẩn điện cực đồng Ta ráp hai điện cực đồng tiêu chuẩn sau thành pin, sức điện động đo pin 0,34V 250C Sơ đồ pin : Anod : Catot : Pin: Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương ⇒E = VD2: Cần xác định điện cực tiêu chuẩn điện cực kẽm Ta ráp điện cực kẽm tiêu chuẩn với điện cực hidro tiêu chuẩn thành pin có sức điện động đo 0,76V 250C Sơ đồ pin : Anod : Catot : Pin: ⇒E = Cu / Cu Zn / Zn b/ Quy ước Người ta lấy quy ước Điện cực âm : Điện cực dương : VD : Trong pin kẽm – hiđro, điện cực Zn điện cực âm điện cực âm cịn pin đồng – hiđro, điện cực Cu điện cực dương điện cực dương Chú ý : Thế điện cực chuẩn (nồng độ = 1M) cịn gọi oxihóa – khử chuẩn Phản ứng anot phản ứng oxihóa, điện điện cực anot gọi oxihóa Điện sản điện cực catot gọi khử Có thể lập bảng bao gồm khử oxy hóa, song theo quy ước quốc tế người ta lập bảng với điện cực khử tiêu chuẩn VD : Li+ + e- = Li E0(volt) = -3,045 K+ + e - = K E0(volt) = -2,925 c/ Ý nghĩa điện cực chuẩn - Thế điện cực chuẩn âm, dạng khử chất khử mạnh dạng oxi hóa yếu - Thế điện cực chuẩn dương, dạng oxi hóa chất oxi hóa mạnh dạng khử chất khử yếu Trong dãy điện hóa, người ta xếp điện cực theo chiều tăng dần khả oxi hóa của dạng oxi hóa chiều giảm dần khả khử dạng khử Những nguyên tố điện cực chuẩn bé có tính khử mạnh ngun tố điện cực chuẩn lớn có tính oxi hóa mạnh - Dựa vào điện cực chuẩn, xác định dễ dàng sức điện động chuẩn pin tạo nên hai điện cực bất kỳ: Sức điện động pin = điện cực dương – điện cực âm VD1: Sức điện động chuẩn pin kẽm – hiđro: E0 = E 0H E Zn , 00 ( , 76 ) , 76 V VD2: Sức điện động chuẩn pin đồng – hiđro: E0 = E 0Cu E 0H , 34 , 00 , 34 V VD3: Sức điện động chuẩn pin kẽm – đồng: E0 = E 0Cu E 0Zn , 34 ( , 76 ) 1,1 V Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương VD4: Sức điện động chuẩn pin magie – kẽm là: E0 = E 0Zn E 0Mg , 76 ( , 36 ) , V - Dựa vào suất điện động pin người ta xác định trực tiếp biến thiên lượng Gibbs phản ứng oxy hóa – khử Đây phương pháp nhạy bén để xác định lượng Gibbs phản ứng sức điện động pin điện đo với độ xác cao Thật sức điện động pin điện liên quan tới lượng Gibbs phản ứng hệ thức : G = -nFE Và điều kiện chuẩn: = -nFE0 E0 E sức điện động ( V) pin điều kiện chuẩn điều kiện khác với điều kiện chuẩn F số Farađay 96500 culông/ đương lượng gam G G biến thiên lượng Gibbs (tính J) điều kiện chuẩn điều kiện n số electron tối thiểu trao chuyển phản ứng oxihóa – khử G Như vậy, phản ứng pin tự phát xảy G < 0, nghĩa E > phản ứng xảy theo chiều thuận Còn ngược lại E < phản ứng xảy theo chiều nghịch Như dựa vào điện cực chuẩn người ta dự đốn chiều phản ứng oxihóa – khử xảy dung dịch nước VD: Phản ứng có tự diễn biến hay khơng? (Tất chất trạng thái chuẩn) Sn2+ + 2I- → Sn + I2 Giải: Sự oxy hóa: 2I- - 2e- → I2 Sự khử: E0 = -0,54V Sn2+ + 2e- → Sn E0 = -014V Phản ứng: Sn2+ + 2I- → Sn + I2 E0 = -0,68V Vì sức điện động âm, phản ứng không xảy ra, phản ứng ngược lại tự diễn biến: Sn + I2 → Sn2+ + 2I- 8.5 Phương trình NERNST Sự phụ thuộc điện cực sức điện động pin theo nồng độ mơ tả định lượng phương trình Nernst: E = E0 - , 0592 lg Q (ở 250C) n Trong đó: E0: Thế điện cực tiêu chuẩn điện cực sức điện động (đkc) pin n: Số electron tham gia Q: Biểu thức định luật tác dụng khối lượng 8.6 Hằng số cân Khi hệ phản ứng oxi hóa – khử trạng thái cân bằng, E hệ khơng Như ta có: Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương , 0592 = E0 - lg K 250K n Vậy: E0 = , 0592 lg K n nE K 10 0 , 0592 Biểu thức cho phép ta xác định số cân phản ứng oxy – hóa khử K từ giá trị E0 ngược lại VD: Tính số cân K phản ứng: Sn + 2Ag = Sn2+ + 2Ag E0 = +0,936V Giải: nE lgK = 0 , 0592 , 936 31 , 621 , 0592 ⇒ K = 4,18 1031 8.8 Sự điện phân 8.8.1 Định nghĩa * Điện phân q trình oxy hóa – khử xảy bề mặt điện cực cho dòng điện chiều qua chất điện ly trạng thái nóng chảy dung dịch VD: Viết q trình điện cực xảy cho dịng điên chiều qua muối ăn nóng chảy nhiệt độ 8500C với hai điện cực graphit Nêu phản ứng tổng quát: Giải: Trước cho dòng điện chiều qua, muối ăn nóng chảy điện ly thành ion chuyển động hỗn loạn: NaCl → Na+ + ClKhi có dịng điện chiều qua, cation Na+ dời cực âm, xảy trình khử (Catot), anion Cl- dời cực dương, xảy q trình oxy hóa (Anot): Na+ + 1e → Na Cl- 1e → 1/2Cl2↑ đp Phản ứng tổng quát: NaCl Na + 1/2Cl2↑ (Người ta thường điện phân nóng chảy halogenua kim loại hyđroxyt kim loại kiềm.) * So sánh điện phân trình xảy pin: * Thứ tự nhận electron nhường electron catot anod: Catot Các cation catot nhận electron theo thứ tự nói chung từ sau trước dãy điện hóa a/ Thứ tự nhận electron Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương Cation catot, nhận electron theo thứ tự từ sau trước Ion kim loại mạnh Al Fe Ion kim loại trung bình + H nước H+ axit Ion kim loại yếu b/ Sản phẩm tạo thành - Nói chung : Mn+ + ne = M (đơn chất) - Riêng với ion H+ : + Của axit : 2H+ + 2e = H2↑ + Của nước: 2H2O ⇌ 2H+ + 2OH2H+ + 2e = H2↑ 2H2O + 2e = H2↑ + 2OH2 Anot Anion anot, nhường electron theo thứ tự từ sau trước Anion có oxi F- OH- nước OH- bazơ Anion khơng có oxi RCOO- a/ Thứ tự nhường electron - Anion khơng có oxi (Cl-, Br-, S2-…) gốc axit hữu (RCOO-) - Anion OH- (OH- bazơ ưu tiên nước) - Anion có oxi (O2-, SO42-,…) Fb/ Sản phẩm tạo thành - Anion đơn nguyên tố: nhường electron tạo đơn chất tương ứng: S2- - 2e = S 2Cl- - 2e = Cl2↑ 2O2- - 4e = O2↑ - Anion đa nguyên tố: nhường electron thường tạo gốc tự do, gốc tự không bền biến đổi cách phân tích, cặp đơi để tạo thành sản phẩm bền hơn: 2OH- - 2e = 1/2O2 + H2O 2SO42- - 2e = S2O82- (ion pesunfat) - Riêng với OH-: + Của bazơ: 2OH- - 2e = 1/2O2 + H2O + Của nước: 2H2O ⇌ 2H+ + 2OH2OH- - 2e = 1/2O2↑ + H2O H2O - 2e = 1/2O2↑ + 2H+ Trang: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trường: ĐHDL VĂN LANG GV Lê Thị Xuân Hương Tóm lại: Cách viết phản ứng điện phân dung dịch bất kỳ: - Viết phương trình điện li - Viết phương trình cho – nhận electron điện cực - Phương trình điện phân: cộng hai trình nhận electron catot nhường electron anot 8.8.3 Định luật Faraday a/ Định luật 1: “Khối lượng chất thoát tỉ lệ thuận với điện lượng qua bình điện phân” m = kQ Hằng số tỉ lệ k gọi đương lượng điện hóa, giá trị khối lượng chất điện cực có đơn vị điện lượng qua bình điện phân Điện lượng Q tính theo đơn vị Faraday điện lượng (F), ampe (Ah) hay coulomb (C) với: 1F = 26,8Ah = 96500C b/ Định luật 2:“Những điện lượng làm thoát đương lượng gam chất” Q1 = Q2 ⇒ n1’= n2’ Cứ Faraday điện lượng (hoặc 26,8Ah 965020C) qua bình điện phân làm đương lượng gam chất Công thức Faraday: m= AIt nF Trong đó: m: lượng đơn chất thu điện cực (gam) A: Khối lượng mol nguyên tử nguyên tố tạo nên đơn chất (gam/mol) n: Số electron trao đổi phản ứng điện cực I: Cường độ dòng điện (Ampe) t: Thời gian điện phân (giây) F: Hằng số Faraday = 96500 (với I tính theo Ampe t tính theo giây) I.t = q: điện lượng (coulomb) A : Đương lượng gam chất giải phóng điện cực n Trang: 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... = Zn 8. 3 Nguyên tố điện hóa (Nguyên tố Ganvani) a/ Khái niệm Ngun tố điện hóa hay ngun tố Ganvani cịn gọi nguồn điện hóa học hệ điện hóa cho phép biến đổi lượng phản ứng hóa học điện cực thành... 8Al - 24e = 8Al3+ NO + 30H+ + 24e = 3N2O + 15H2O Ta có : Bước : Cộng nửa phản ứng, ta có phương trình ion thu gọn : 8Al - 24e = 8Al3+ NO + 30H+ + 24e = 3N2O + 15H2O 8Al + NO + 30H+ = 8Al3+ + 3N2O... phương trình dạng ion thu gọn thành phương trình ion đầy đủ phương trình phân tử cần cộng vào hai vế lượng cation anion để bù trừ điện tích Phương trình ta phải cộng hai vế với 24 NO Ta có: 8Al