Dóy điện húa của kim loại

CHƯƠNG 4 : PHẢN ỨNG OXY HểA – KHỬ VÀ DềNG ĐIỆN

2. Dóy điện húa của kim loại

2.1. Khỏi niệm về cặp oxi húa - khử của kim loại

Trong phản ứng húa học, cation kim loại cú thể nhận e để trở thành nguyờn tử kim loại và ngược lại, nguyờn tử kim loại cú thể nhường e để trở thành cation kim loại.

Thớ dụ: 2 2 2 2 Fe e Fe Cu e Cu Ag e Ag       Tổng quỏt: Mn+ + ne M Dạng oxi húa dạng khử

Dạng oxi húa (Mn+) và dạng khử (M) của cựng một nguyờn tố kim loại tạo nờn cặp oxi húa – khử. Cỏc cặp oxi húa – khử trờn được viết như sau:

2 2

/ ; / ; /

Fe  Fe Cu  Cu Ag Ag

Tổng quỏt: Mn/M

2.2. Pin điện húa

2.2.1. Khỏi niệm về pin điện húa, thế điện cực và suất điện động

2.2.1.1. Pin điện húa

Hai cốc thủy tinh, một cốc chứa 50 ml dung dịch CuSO4 1M, cốc kia chứa 50 ml dung dịch ZnSO4 1M. Nhỳng một lỏ Cu vào dung dịch CuSO4, một lỏ Zn vào dung dịch ZnSO4. Nối hai dung dịch bằng một ống hỡnh chữ U đựng dung dịch NH4NO3 (hoặc KNO3). Ống này được gọi là cầu muối. Thiết bị núi trờn được gọi là pin điện húa, vỡ khi nối hai lỏ kim loại bằng một dõy dẫn sẽ đo được một dũng điện đi từ lỏ Cu (điện cực +) đến lỏ Zn (điện cực -).

2.2.1.2. Thế điện cưc

Sự xuất hiện dũng điện đi từ cực đồng sang cực kẽm chứng tỏ rằng cú sự chờnh lệch điện thế giữa 2 điện cực núi trờn, tức là trờn mỗi điện cực đó xuất hiện một thế điện cực nhất định.

2.2.1.3. Suất điện động

Hiệu điện thế lớn nhất giữa hai điện cực (Epin), tức là hiệu của thế điện cực dương (E(+)) với thế điện cực õm (E(-)) được gọi là suất điện động của pin điện húa (EpinE( ) E( ) ).

Suất điện động của pin điện húa luụn là số dương và phụ thuộc vào bản chất của kim loại làm điện cực, nồng độ dung dịch và nhiệt độ.

Suất điện động của pin điện húa khi nồng độ ion kim loại bằng 1M (ở 250C) gọi là suất điện động chuẩn và được kớ hiệu là 0

pin

E . Tương tự trờn ta cú:

( ) ( )

0 0 0

(Epin E E ) . Đối với pin điện húa Zn-Cu như trờn ta cú:

2 2 ( / ) ( / ) 0 0 0 ( ) Cu Cu Zn Zn pin E E  E  .

2.2.2. Cơ chế phỏt sinh dũng điện trong pin điện húa

- Ở lỏ Zn, cỏc nguyờn tử kẽm để lại e trờn bề mặt điện cực và tan vào dung dịch dưới dạng ion Zn2+. Ở đõy xảy ra sự oxi húa cỏc nguyờn tử Zn thành Zn2+.

Zn bị oxi húa thành Zn2+. 2 2

ZnZn  e. Sự mất e xảy ra trờn bề mặt lỏ kẽm.

- Lỏ Zn trở thành nguồn e nờn đúng vai trũ cực õm. Cỏc e theo dõy dẫn đến cực Cu. Ở đõy, xảy ra sự khử cỏc ion Cu2+ trong dung dịch thành Cu bỏm trờn bề mặt lỏ Cu.

Cu2+ bị khử thành Cu: 2 2

Cu  eCu. Sự nhận e xảy ra trờn bề mặt lỏ đồng.

- Trong cầu muối, cỏc ion NH4 (hoặc K+) di chuyển sang cốc đựng dung dịch CuSO4, cỏc anion NO3di chuyển sang cốc đựng dung dịch ZnSO4 làm cõn bằng điện tớch, nờn cỏc dung dịch luụn trung hũa điện.

Theo qui ước của điện học, dũng điện đi từ cực đồng sang cực kẽm. Vỡ thế, điện cực kẽm được gọi là anot. Theo cơ chế trờn, anot là nơi xảy ra sự oxi

húa. Điện cực đồng gọi là catot. Về bản chất điện húa học thỡ catot là nơi xảy ra sự khử.

Trong pin điện húa, anot là cực õm cũn catot là cực dương.

- Cỏc phản ứng oxi húa và khử xảy ra trờn bề mặt cỏc điện cực của pin điện húa núi trờn cú thể được viết tổng hợp lại bằng phương trỡnh ion rỳt gọn:

2 2

Zn Cu Cu Zn 

Như vậy, trong pin điện húa Zn-Cu đó xảy ra phản ứng oxi húa – khử: Cu2+ (chất oxi húa mạnh hơn) đó oxi húa Zn (chất khử mạnh hơn) thành Zn2+

(chất oxi húa yếu hơn) và Cu (chất khử yếu hơn) và năng lượng húa học của phản ứng oxi húa - khử đó chuyển húa thành điện năng.

Zn + Cu2+ Cu + Zn2+ Chấtkhử mạnh Chất oxi húa mạnh Chất khử yếu Chất oxi húa yếu

2.3. Thế điện cực chuẩn của pin

2.3.1. Điện cực hiđro chuẩn

2 2 2

H H e

Người ta chấp nhận một cỏch qui ước rằng thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn bằng 0,00V ở mọi nhiệt độ, tức là:

2

0

2H 0, 00

H

E   V

Điện cực kim loại mà nồng độ ion kim loại trong dung dịch bằng 1M được gọi là điện cực chuẩn.

Để xỏc định thế điện cực chuẩn của kim loại nào đú, ta thiết lập một pin điện húa gồm: điện cực chuẩn của kim loại cần xỏc định với điện cực hiđro chuẩn. Vỡ thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn được qui ước bằng khụng, nờn

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.

Trong pin điện húa núi trờn, nếu kim loại đúng vai trũ cực õm, thỡ thế điện cực chuẩn của kim loại cú giỏ trị õm. Cũn nếu kim loại đúng vai trũ cực dương, thỡ thế điện cực chuẩn của kim loại cú giỏ trị dương.

Vớ dụ1: Xỏc định thế điện cực chuẩn của cặp Zn2+/Zn

Cho pin điện húa Zn – H2. Điện kế cho biết dũng điện đi từ điện cực hiđro chuẩn sang điện cực kẽm chuẩn và suất điện động của pin bằng 0,76V. Như vậy, Zn là cực õm (anot), thế điện cực chuẩn của cặp Zn2+/Zn là -0,76V (kớ hiệu là

2 0 0, 76 Zn Zn E    V ).

Phản ứng xảy ra trờn điện cực õm (anot): 2 2

ZnZn  e

Phản ứng xảy ra trờn điện cực dương (canot): 2H2eH2

Phản ứng oxi húa – khử xảy ra trong pin điện húa : 2 2

2

Zn H Zn H

Vớ dụ 2: Xỏc định thế điện cực chuẩn của cặp Ag+/Ag

Cho pin điện húa H2 - Ag. Điện kế cho biết dũng điện ở mạch ngoài đi từ điện cực bạc chuẩn sang điện cực hiđro chuẩn và suất điện động của pin bằng 0,80V. Như vậy, Ag là cực dương (canot), thế điện cực chuẩn của cặp Ag+/Ag là + 0,80V (kớ hiệu là 0

0,80

Ag Ag

E    V ).

Hỡnh 4.1. Thớ nghiệm xỏc định thế điện cực chuẩn của cặp Ag+/Ag

Phản ứng xảy ra trờn điện cực dương (canot): Ag e Ag

Phản ứng oxi húa – khử xảy ra trong pin điện húa : 2AgH2 2Ag2H

2.4. Dóy thế điện cực chuẩn của kim loại

Dóy thế điện cực chuẩn của kim loại là dóy sắp xếp cỏc kim loại theo thứ tự tăng dần thế điện cực chuẩn.

Dưới đõy là dóy thế điện cực chuẩn ở 250C của một số cặp oxi húa – khử Mn+/M (M là những kim loại thụng dụng) cú trị số tớnh ra vụn (V).

2.5. í nghĩa của dóy thế điện cực chuẩn của kim loại

2.5.1. So sỏnh tớnh oxi húa – khử

Trong dung mụi nước, thế điện cực chuẩn của kim loại 0

n

M M

E  càng lớn thỡ tớnh oxi húa của cation Mn+ càng mạnh và tớnh khử của kim loại M càng yếu. Ngược lại, 0

n

M M

E  càng nhỏ thỡ tớnh oxi húa của cation Mn+ càng yếu và tớnh khử của kim loại M càng mạnh.

2.5.2. Xỏc định chiều của phản ứng oxi húa – khử

- Kim loại của cặp oxi húa - khử cú thế điện cực chuẩn nhỏ hơn khử được cation kim loại của cặp oxi húa - khử cú thế điện cực chuẩn lớn hơn (núi cỏch khỏc: cation kim loại trong cặp oxi húa - khử cú thế điện cực chuẩn lớn hơn cú

thể oxi húa được kim loại trong cặp cú thế điện cực chuẩn nhỏ hơn).

Để viết đỳng chiều của phản ứng oxi húa - khử, người ta viết cặp oxi húa - khử cú thế điện cực chuẩn nhỏ ở bờn trỏi, cặp oxi húa - khử cú thế điện cực

chuẩn lớn hơn ở bờn phải rồi viết phương trỡnh phản ứng oxi húa - khử theo qui

Vớ dụ: 2 0 0, 34 Cu Cu E    V và 0 0,80 Ag Ag E    V ta cú 2 Cu Cu  Ag Ag 

Chữ anpha α Quy tắc anpha

2

2AgCuCu 2Ag

- Kim loại trong cặp oxi húa - khử cú thế điện cực chuẩn õm khử được ion hiđro của dung dịch axit (núi cỏch khỏc, cation H+ trong cặp 2H+/H2 cú thể oxi húa được kim loại trong cặp oxi húa - khử cú thể điện cực chuẩn õm.)

Vớ dụ: 2 0 2, 37 Mg Mg E    V và 2 0 2 0, 00 H H E   V 2 Mg Mg  2 2H H 

Phản ứng oxi húa - khử xảy ra theo chiều cation H+ trong dung dịch axit oxi húa Mg thành cation Mg2+ và cation H+ bị khử thành H2:

2 2

2HMgMg H

2.5.3. Xỏc định suất điện động chuẩn của pin điện húa

Suất điện động chuẩn của pin điện húa ( 0

pin

E ) bằng thế điện cực chuẩn của cực dương trừ đi thế điện cực chuẩn của cực õm. Suất điện động của pin điện húa luụn là số dương.

Vớ dụ: Suất điện động chuẩn của pin điện húa Zn-Cu:

( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 ( ) ( ) 0 0 0 0 0 0 0 0, 34 ( 0, 76) 1,10( ) catot anot Cu Zn Cu Zn pin E E E E E E  E      V

Suất điện động chuẩn của pin điện húa Zn-Pb:

( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 ( ) ( ) 0 0 0 0 0 0 0 0,13 ( 0, 76) 0, 630( ) catot anot Pb Zn Pb Zn pin E E E E E E  E       V

2.5.4. Xỏc định thế điện cực chuẩn của cặp oxi húa – khử

Ta cú thể xỏc định được thế điện cực chuẩn của cặp oxi húa - khử khi biết suất điện động chuẩn của pin điện húa ( 0

pin

E ) và thế điện cực chuẩn của cặp oxi húa - khử cũn lại (1, 2, 4, 6, 7).

Vớ dụ: Hóy xỏc định thế điện cực chuẩn của cặp oxi húa - khử Ni2+/Ni ( 2 0 Ni Ni E  . Biết 0 ( ) 0, 60 pin Ni Cu E   V và 2 0 0,34 Cu Cu E   V . Cực (+) là điện cực đồng. 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0 0 0 0, 34 0, 6 0, 26( ) Cu Ni Ni Cu Cu Ni Ni Cu pin pin E E  E  E  E  E     V 3. Sự điện phõn 3.1. Khỏi niệm

Vớ dụ: Điện phõn NaCl núng chảy

- NaCl núng chảy phõn li thành ion: NaClNaCl

Dưới tỏc dụng của điện trường, ion õm chuyển về điện cực dương, ion dương chuyển về điện cực õm.

- Ở cực dương (anot) xảy ra sự oxi húa ion Cl- : 2Cl( )l Cl2( )k 2e

- Ở cực õm (catot) xảy ra sự khử ion Na+ : 2Na( )l 2e2Na( )l

Sự điện phõn NaCl núng chảy cú thể biểu diễn ngắn gọn bằng sơ đồ: ( ) CatotNaClAnot( )

2Na( )l 2e2Na( )l 2Cl( )l Cl2( )k 2e

Phương trỡnh của sự điện phõn là: 2NaCldpnc2Na Cl 2

Khỏi niệm: Sự điện phõn là quỏ trỡnh oxi húa – khử xảy ra ở bề mặt cỏc

điện cực khi cú dũng điện một chiều đi qua chất điện li núng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

Vớ dụ: Điện phõn dung dịch CuSO4 với cỏc điện cực trơ (graphit). Khi cú dũng điện đi vào dung dịch, ion 2

4

SO di chuyển về anot, ion Cu2+ di chuyển về catot.

- Ở anot (+) cú thể xảy ra sự oxi húa ion 2 4

SO hoặc phõn tử H2O, vỡ nước dễ bị oxi húa hơn, sản phẩm là khớ oxi: 2H O2 ( )l O2( )k 4Hdd 4e

- Ở catot (-) cú thể xảy ra sự khử ion Cu2+ hoặc phõn tử H2O, Vỡ ion Cu2+ dễ bị khử hơn H2O, nờn ion Cu2+ bị khử thành kim loại Cu bỏm trờn catot:

2

( )l 2 ( )r

Cu  eCu

4 ( ) Catot CuSO  Anot( ) Cu2+ , H2O H2O H O SO2 , 42 2 ( )l 2 ( )r Cu  eCu 2H O2 ( )l O2( )k 4Hdd 4e

Phương trỡnh điện phõn: 2CuSO42H O2 dp 2Cu O 22H SO2 4

3.2. Ứng dụng của sự điện phõn

- Điều chế cỏc kim loại

- Điều chế một số phi kim như: H2, O2, F2, Cl2.

- Điều chế một số hợp chất: KMnO4, NaOH, H2O2, nước javen. - Tinh chế một số kim loại

- Mạ điện (1, 2, 7)

TểM TẮT CHƯƠNG 4

Phản ứng oxi húa – khử là một trong những quỏ trỡnh quan trọng nhất của thiờn nhiờn. Sự hụ hấp, quỏ trỡnh thực vật hấp thụ khớ CO2 giải phúng O2, sự trao đổi chất và hàng loạt quỏ trỡnh sinh học khỏc đều cú cơ sở là cỏc phản ứng oxi húa – khử.

Trong pin điện húa núi trờn, nếu kim loại đúng vai trũ cực õm, thỡ thế điện cực chuẩn của kim loại cú giỏ trị õm. Cũn nếu kim loại đúng vai trũ cực dương, thỡ thế điện cực chuẩn của kim loại cú giỏ trị dương.

Trong dung mụi nước, thế điện cực chuẩn của kim loại 0

n

M M

E  càng lớn thỡ tớnh oxi húa của cation Mn+ càng mạnh và tớnh khử của kim loại M càng yếu. Ngược lại, 0

n

M M

E  càng nhỏ thỡ tớnh oxi húa của cation Mn+ càng yếu và tớnh khử của kim loại M càng mạnh.

BÀI TẬP

1. Thế nào là chất oxi húa, chất khử, phản ứng oxi húa khử?

2. Trỡnh bày khỏi niệm về pin điện húa, thế điện cực và suất điện động. 3. Mụ tả cơ chế phỏt sinh dũng điện trong pin điện húa.

4. So sỏnh thế điện cực chuẩn của kim loại.

5. Trỡnh bày ý nghĩa dóy thế điện cực chuẩn của kim loại. 6. Trong pin điện húa, sự oxi húa

a) khụng xảy ra ở cực õm và cực dương b) chỉ xảy ra ở cực dương c) Xảy ra ở cực õm và cực dương d) chỉ xảy ra ở cực õm

7. Trong pin điện húa Zn-Cu cặp chất nào sau đõy phản ứng được với nhau?

a) Zn2+ + Cu2+ b) Zn2+ + Cu c) Cu2+ + Zn d) Cu + Zn 8. Cho cỏc kim loại: Na, Mg, Al, Cu, Ag. Hóy viết cỏc cặp oxi húa – khử tạo bởi cỏc kim loại đú và sắp xếp chỳng theo thứ tự giảm dần tớnh oxi húa.

9. Cõn bằng cỏc phương trỡnh phản ứng húa học dưới đõy và cho biết vai trũ của từng chất trong phản ứng.

a) Na SO2 3KMnO4H O2 Na SO2 4MnO2KOH

b) FeSO4K Cr O2 2 7H SO2 4 Fe SO2( 4 3) Cr SO2( 4 3) K SO2 4H O2

c) CuHNO3Cu NO( 3 2) NO2H O2

d) CuHNO3 Cu NO( 3 2) NO H O 2

e) Fe O3 4HNO3Fe NO( 3 3) NO H O 2

g) FeH SO2 4t0 Fe SO2( 4 3) SO2H O2

h) Cl2NaOHNaClNaClO H O 2

THÍ NGHIỆM THỰC HÀNH 1. Mục đớch, yờu cầu

a) Mục đớch

- Lấy được chớnh xỏc thể tớch, khối lượng cỏc dung dịch đem phản ứng. - Mụ tả được cỏch tiến hành làm cỏc thớ nghiệm.

- Quan sỏt và giải thớch được cỏc hiện tượng thớ nghiệm.

- Rốn luyện được tớnh cẩn thận, tỷ mỉ, chớnh xỏc, trung thực, an toàn lao động, vệ sinh mụi trường.

b) Yờu cầu

- Trước khi thớ nghiệm:

SV đọc kỹ cỏc thớ nghiệm trong giỏo trỡnh, chuẩn bị tường trỡnh thực hành, dụng cụ, vật liệu theo yờu cầu của GV.

- Trong khi thớ nghiệm:

SV chăm chỳ nghe GV chỉ dẫn, thực hiện đỳng và theo thứ tự cỏc thao tỏc đó chỉ dẫn, ghi chộp lại những thụng tin quan trọng, tớch cực tham gia thực hành, đảm bảo an toàn, đỳng kỹ thuật.

- Sau khi thớ nghiệm:

SV nộp bảng tường trỡnh thớ nghiệm, sử dụng thành thạo cỏc dụng cụ và vật liệu thực hành, ỏp dụng được vào thực tiễn. Dọn dẹp sạch sẽ nơi thớ nghiệm, tắt điện, nước,... trước khi ra khỏi phũng thớ nghiệm.

2. Phương tiện thực hành - Thiết bị:

Cõn phõn tớch, ổ cắm điện, mỏy cất nước, bếp điện.

- Dụng cụ:

Ống nghiệm, cặp gỗ, pipet, búp cao su, bỡnh định mức 100ml, bỡnh tam giỏc 250ml, cốc thủy tinh.

- Húa chất:

H2O2, NaNO2, KMnO4 0,1M, H2SO4 loóng, CuSO4 1M, đinh sắt, FeSO4 1M,

KMnO4 0,5M, NaNO2 1M.