Chƣơng IV : Một số cơ sở lý thuyết dùng để giải bài tập
4.2. Pin Dãy điện hoá của kim loại và phương trình Nernst
4.2.1. Pin:
Pin là một thuật ngữ dùng để chỉ một tế bào điện hoá hoạt động như một máy phát điện.
Sơ đồ pin: mỗi pin được sơ đồ hoá bằng cách viết điện cực (-) bên trái, điện cưc (+) bên phải.
Ví dụ: pin Zn – Cu: (-) Zn(r)| Zn2+(aq)|| Cu2+(aq)| Cu(r ) (+)
Một gạch đứng ( | ): Biểu thị sự tiếp xúc giữa hai pha khác nhau. Hai gạch đứng ( || ): Biểu thị sự tiếp xúc giữa hai chất điện li.
Chiều quy ước của phản ứng điện hoá là chiều electron đi từ cực âm (trái) sang cực dương (phải) qua dây dẫn nối với mạch ngồi của tế bào điện hố. Điện cực trái luôn xảy ra quá trình oxi hố. Điện cực phải ln xảy ra q trình khử.
Sức điện động của pin (Epin): E(pin) = Eđiện cực phải – E điện cực trái = E(+) – E(-)
4.2.2. Dãy điện hố của kim loại. Phương trình Nernst:
Xét pin có sơ đồ: Pt| H2| H+|| oxh, kh |Pt Điện cực hidro chuẩn
Nửa phải của pin là điện cực nghiên cứu sao cho: αoxh + ne → βKh
Nếu điện cực nghiên cứu ở trạng thái chuẩn: [oxh] = [kh] = 1M, T = 298K thì: Eopin = Eooxh/kh. Sắp xếp các giá trị thế điện cực chuẩn của kim loại từ nhỏ đến lớn ta thu được dãy điện hố của kim loại.
Nếu điện cực nghiên cứu khơng ở trạng thái chuẩn: Epin = Ep – Et = Eoxh/kh. Với Eoxh/kh được tính theo phương trình Nernst: Eoxh/kh = Eooxh/kh +
ln oxh RT nF kh Trong đó: Eo
oxh/kh là thế oxi hố – khử chuẩn của cặp oxh/kh. R = 8,314 K-1.mol-1 là hằng số khí lý tưởng. T là nhiệt độ Kenvin.
Nếu X là chất rắn hoặc chất lỏng và tồn tại riêng trong một pha thì [X] = 1. Mặt khác, khi trong nửa phản ứng có những thành phần khác với chất oxi hố, chất khử thì chúng cũng có mặt trong phương trình Nernst.
Nếu ở 25oC, thay giá trị R, F, T và chuyển logarit cơ số e thành logarit thập phân, ta được: Eoxh/kh = Eooxh/kh + 0, 059 lg n oxh kh
4.2.3: Ứng dụng dãy điện hoá của kim loại:
Ứng dụng 1: Xác định sức điện động của pin:
Epin = E(+) – E(-) hoặc Eopin = Eo(+) – Eo(-)
Ứng dụng 2: Xác định chiều của phản ứng oxi hoá khử.
Xét một phản ứng oxi hoá – khử, ta ln có: ∆Gpư = -nEpưF; trong điều kiện chuẩn thì: ∆Gpư = -nEopư.F (1)
Trong đó:
n: là số mol electron trao đổi giữa chất oxh và chất khử trong một phản ứng đã cân bằng.
F = 96500 C/m: hằng số Faraday
Epư, Eopư tương ứng là thế của phản ứng oxh – khử ở trạng thái bất kì và trạng thái chuẩn.
- Phản ứng tự diễn ra nếu: ∆Gopư < 0 → Eopư > 0
- Phản ứng diễn ra theo chiều nghịch nếu: ∆Gopư > 0 → Eopư < 0
- Phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng nếu: ∆Gopư = 0 → Eopư = 0 → Eooxh = EoKh
Ứng dụng 3: Tính hằng số cân bằng của phản ứng oxi hoá – khử:
Xét phản ứng oxi hoá - khử ở trạng thái tổng quát:
aA + bB → cC + dD KC = . . c d a b C D A B
Trong đó [i] là nồng độ mol/l của chất I ở trạng thái cân bằng. Như đã biết: ∆Go pư = -RTlnK = -2,303.RTlgK (2) Từ (1) và (2), ta có: lgK = o pu nFE
Nếu phản ứng diễn ra ở 25oC, thay giá trị của R, F, Tvào (3) ta được: LgK = 0, 059 o pu nE hay 0,059 10 o pu nE K - Nếu K ≥ 104
, phản ứng xảy ra hoàn toàn. - Nếu 10-4 ≤ K < 104
, phản ứng xảy ra khơng hồn tồn. - Nếu K < 10-4, hệ thực tế không tiến triển.