Dãy điện hóa kim loại | Bảng đầy đủ, quy tắc alpha và cách ghi nhớ

Dãy điện hóa của kim loại là nội dung quan trọng trong Hóa học 12, dùng để sắp xếp các cặp oxi hóa – khử theo thế điện cực chuẩn, từ đó so sánh tính oxi hóa của ion kim loại và tính khử của kim loại. Bài viết hệ thống bảng dãy điện hóa đầy đủ, ý nghĩa và chiều biến đổi tính oxi hóa – khử, quy tắc alpha, cách xác định chiều phản ứng, vị trí các kim loại đứng trước H và cách nhớ dãy điện hóa; đồng thời trình bày các kiến thức liên quan đến thế điện cực chuẩn, bán phản ứng và sức điện động của pin Galvani.

Dãy điện hóa kim loại là gì?

Dãy điện hóa của kim loại là dãy các cặp oxi hóa – khử được sắp xếp theo chiều tăng dần của thế điện cực chuẩn.

Bảng dãy điện hóa kim loại

Trong phạm vi chương trình Hóa học phổ thông, bảng dãy điện hóa của kim loại gồm các cặp oxi hóa – khử được sắp xếp theo chiều tăng dần của thế điện cực chuẩn. Một số cặp thường gặp được sắp xếp theo thứ tự:

K+/K; Na+/Na; Mg2+/Mg; Al3+/Al; Zn2+/Zn; Fe2+/Fe; Ni2+/Ni; Sn2+/Sn; Pb2+/Pb; 2H+/H2; Cu2+/Cu; Ag+/Ag; Au3+/Au.

Khi đọc dãy điện hóa kim loại theo chiều từ trái sang phải, thế điện cực chuẩn tăng dần. Vì vậy, tính oxi hóa của dạng oxi hóa tăng dần, trong khi tính khử của dạng khử giảm dần.

• Phía trên của mỗi cặp là dạng oxi hóa, thường là ion kim loại như Zn2+, Cu2+, Ag+.

• Phía dưới là dạng khử tương ứng như Zn, Cu, Ag.

• Cặp 2H+/H2 có thế điện cực chuẩn bằng 0,00 V và được dùng làm mốc để so sánh các cặp oxi hóa – khử khác.

Chiều biến đổi tính oxi hóa

Từ trái sang phải trong dãy điện hóa của kim loại, giá trị thế điện cực chuẩn tăng dần. Vì vậy, tính oxi hóa của dạng oxi hóa cũng tăng dần, ngược lại, tính khử của kim loại cũng giảm dần.

Với dãy trên, trong chương trình Hóa học 12 THPT do xu hướng tăng dần khả năng oxi hóa từ trái sang phải của dãy nên các ion như \(Cu^{2+}\), \(Ag^{+}\)được xem là có tính oxi hóa mạnh hơn nhiều ion kim loại đứng trước chúng trong dãy điện hóa.

Ví dụ: Do \(Cu^{2+}\)đứng sau \(Zn^{2+}\)trong dãy nên \(Cu^{2+}\)có tính oxi hóa mạnh hơn \(Zn^{2+}\).

Chiều biến đổi tính khử

Tính khử của dạng khử biến đổi theo chiều ngược lại. Từ trái sang phải trong dãy điện hóa của kim loại, tính khử của kim loại giảm dần.

Một cách để ghi nhớ tính chất:

Kim loại càng nằm về phía trái thường có tính khử càng mạnh; ion kim loại càng nằm về phía phải thường có tính oxi hóa càng mạnh.

Cách nhớ dãy điện hóa kim loại

Khi học dãy điện hóa, có thể chia các cặp oxi hóa – khử thành từng nhóm nhỏ, ghi nhớ vị trí của cặp \(2H^+/H_2\)​ làm mốc và kết hợp với quy luật: từ trái sang phải, tính oxi hóa của dạng oxi hóa tăng dần còn tính khử của dạng khử giảm dần.

Các kim loại đứng trước H trong dãy điện hóa

Các kim loại có cặp oxi hóa – khử nằm trước cặp \(2H^+/H_2\) thường có tính khử mạnh hơn \(H_2\)​. Trong điều kiện thích hợp, nhiều kim loại này có thể khử \(H^+\) trong dung dịch acid tạo thành \(H_2\)​.

Cặp oxi hóa – khử của kim loại là gì?

Trong một cặp oxi hóa – khử, dạng oxi hóa là dạng có số oxi hóa cao hơn và có khả năng nhận electron, còn dạng khử là dạng có số oxi hóa thấp hơn và có khả năng nhường electron.

Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố tạo thành một cặp oxi hóa – khử. Ví dụ: \(Fe^{2+}\)/Fe, \(Na^{+}\)/Na,…

Tổng quát, dạng oxi hoá (\(M^{n+}\)) và dạng khử (M) của cùng một kim loại tạo nên cặp oxi hoá - khử \(M^{n+}\)/M, giữa chúng có mối quan hệ:

\(M^{n+}+ne^-\rightarrow M\)

Với:

• \(M^{n+}\) là dạng oxi hóa của kim loại M.

• M là dạng khử của kim loại M.

• n là số oxi hóa kim loại. Ví dụ: \(Al^{3+}\) có số oxi hóa là +3, nên n = 3.

Xét hai quá trình có thể xảy ra đối với một kim loại, ví dụ là kim loại Cu:

\(Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu\)

và

\(Cu\rightarrow Cu^{2+}+2e^-\)

Trong quá trình thứ nhất, ion \(Cu^{2+}\) nhận 2 electron để tạo thành kim loại Cu. Vì có khả năng nhận electron nên \(Cu^{2+}\)được gọi là dạng oxi hóa.

Trong quá trình thứ hai, kim loại Cu nhường 2 electron để chuyển thành ion \(Cu^{2+}\). Vì có khả năng nhường electron nên Cu được gọi là dạng khử.

Cách kí hiệu cặp oxi hóa - khử

Một cặp oxi hóa – khử được viết theo thứ tự:

Dạng oxi hóa/Dạng khử

Đối với kim loại, kí hiệu tổng quát được thể hiện như sau

\(\mathbf{M^{n+}}\)/ M

Cần lưu ý rằng không phải mọi cặp oxi hóa – khử đều gồm một ion kim loại và kim loại tương ứng.

Ví dụ: cặp \(Fe^{3+}\)/\(Fe^{2+}\) gồm hai ion của cùng nguyên tố là Fe nhưng ở hai số oxi hóa khác nhau. Ngoài ra, \(H^{+}\) / \(H_2\) là một cặp oxi hóa – khử quan trọng trong dãy điện hóa của kim loại, giúp giải thích vì sao một số kim loại không thể hòa tan trong một số dung dịch acid.

Những lỗi thường gặp

Những lỗi sai của học sinh có thể gặp phải như sau:

• Viết ngược cặp thành M/\(\mathbf{M^{n+}}\).

• Cho rằng mọi cặp oxi hóa – khử đều gồm ion kim loại và kim loại tương ứng. Thực tế, cặp \(Fe^{3+}/Fe^{2+}\) gồm hai ion của cùng một nguyên tố, còn cặp \(2H^+/H_2\) có dạng khử là khí hydrogen.

• Không cân bằng số electron trong bán phản ứng.

• Nhầm “chất bị oxi hóa” với “chất oxi hóa”.

Để có thể phân biệt “chất oxi hóa” và “chất khử”, có thể áp dụng cách nhớ sau:

Khử tăng cho - Oxi hóa giảm nhận

• Chất oxi hóa là chất nhận electron và bị khử.

• Chất khử là chất nhường electron và bị oxi hóa.

• Khi thêm chữ “bị” vào, đổi thành chất ngược lại. Ví dụ: Chất bị oxi hóa chính là chất khử.

Thế điện cực chuẩn là gì?

Mỗi điện cực ở điều kiện chuẩn có một đại lượng đặc trưng về điện thế, gọi là thế điện cực chuẩn.

Về bản chất, không thể đo riêng một cách trực tiếp điện thế tuyệt đối của một điện cực. Người ta phải ghép điện cực cần khảo sát với một điện cực quy chiếu rồi đo hiệu điện thế của pin tạo thành. IUPAC định nghĩa thế điện cực chuẩn thông qua sức điện động chuẩn của pin có điện cực hydrogen chuẩn làm điện cực tham chiếu. [2]
Thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa - khử \(\mathbf{M^{n+}}\)/ M được kí hiệu:

\(E_{M^{n+}\text{/}M}^{o}\)

Trong phạm vi chương trình Hóa học 12, điều kiện chuẩn thường được xét với:

• Nồng độ ion trong dung dịch bằng 1 mol/L (1M).

• Nhiệt độ \(25^\circ\mathrm{C}\).

• Các chất rắn ở trạng thái tinh khiết.

Nếu có chất khí thì xét ở áp suất chuẩn (1 bar, \(25^\circ\mathrm{C}\)).
Đơn vị của thế điện cực chuẩn là Volt (V).

Điện cực của cặp oxi hóa - khử

Khi nhúng kim loại M vào dung dịch chứa ion \(M^{n+}\), tại bề mặt tiếp xúc giữa kim loại và dung dịch tồn tại cân bằng giữa dạng oxi hóa và dạng khử:

\[M^{n+}+ne^-\rightleftharpoons M\]

Sự phân bố điện tích tại bề mặt tiếp xúc tạo nên một điện thế đặc trưng cho điện cực. Mỗi cặp oxi hóa – khử có thể được dùng để thiết lập một điện cực, tại đó tồn tại cân bằng giữa dạng oxi hóa và dạng khử.
Ví dụ: Điện cực đồng có thể được tạo thành khi cho một thanh đồng vào dung dịch \(Cu^{2+}\)

\(Cu^{2+}\)/Cu

Điện cực hydrogen chuẩn

Điện cực hydrogen chuẩn được sử dụng làm mốc so sánh và được quy ước: \(E_{2H^{+}\text{/}H_2}^{o}\) = 0,00V [3]

Các giá trị thế điện cực chuẩn của những cặp khác được xác định một cách tương đối so với điện cực hydrogen chuẩn:

• Nếu một cặp có \(E_{}^{o}\)>0 , dạng oxi hóa của cặp đó có xu hướng nhận electron mạnh hơn \(H^{+}\) trong điều kiện chuẩn.

• Nếu một cặp có \(E_{}^{o}\)<0, dạng khử của cặp đó có xu hướng nhường electron mạnh hơn \(H_2\) trong điều kiện chuẩn.

Ý nghĩa của giá trị thế điện cực chuẩn

Giá trị thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa - khử giúp so sánh gần đúng tính oxi hóa và tính khử của các cặp ở điều kiện chuẩn. Trong chương trình THPT, bỏ qua các yếu tố phụ (nhiệt độ, nồng độ,…) ảnh hưởng đến giá trị thế điện cực chuẩn để có thể dễ so sánh.

Quy tắc này có thể áp dụng để giải thích như sau:

• \(E^{o}\) lớn cho thấy quá trình khử (nhận electron) thuận lợi hơn, do đó dạng oxi hóa có tính oxi hóa mạnh hơn.

• \(E^{o}\) nhỏ cho thấy quá trình oxi hóa (cho electron) thuận lợi hơn, do đó dạng khử có tính khử mạnh hơn.

Ví dụ: Cho biết thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa khử \(Al^{3+}\)/ Al là -1,662V và \(Zn^{2+}\)/Zn là -0,762V.

a) So sánh thế điện cực chuẩn của mỗi cặp với thế điện cực chuẩn của \(H_2\), từ đó cho biết tính khử của Al và Zn so với \(H_2\).

b) So sánh tính oxi hóa của ion \(Al^{3+}\)với ion \(Zn^{2+}\).

Hướng dẫn:

a) Do \(E^\circ_{\mathrm{Al^{3+}/Al}} < E^\circ_{\mathrm{2H^+/H_2}} \quad\text{và}\quad E^\circ_{\mathrm{Zn^{2+}/Zn}} < E^\circ_{\mathrm{2H^+/H_2}} =0{,}00\,\mathrm{V}\) nên tính khử của Al và Zn đều lớn hơn \(H_2\).
b) Do \(E^\circ_{\mathrm{Al^{3+}/Al}}\)< \(E^\circ_{\mathrm{Zn^{2+}/Zn}}\) nên ion \(Zn^{2+}\)có tính oxi hóa mạnh hơn ion \(Al^{3+}\)

Phân biệt dãy điện hóa của kim loại và dãy hoạt động hóa học

Dãy hoạt động hóa học thuận tiện khi nhận xét khả năng phản ứng của kim loại với nước, acid hoặc muối, còn dãy điện hóa sử dụng thế điện cực chuẩn để so sánh định lượng khả năng oxi hóa – khử và dự đoán chiều phản ứng.

Ý nghĩa của dãy điện hóa và quy tắc alpha

Xét hai cặp oxi hóa – khử: \(M^{n+}\)/M (1) và \(L^{x+}\)/L (2).

Giả sử \(E_1^{o}\) > \(E_2^{o}\). Khi đó ta có thể kết luận rằng dạng oxi hóa của cặp oxi hóa - khử (1) có tính oxi hóa mạnh hơn, còn dạng khử của cặp oxi hóa - khử (2) có tính khử mạnh hơn. Lúc này phản ứng sẽ xảy ra theo chiều thuận lợi.

\(xM^{n+}+nL\rightarrow xM+nL^{x+}\)

Nói cách khác, chất khử của cặp có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn phản ứng với chất oxi hóa của cặp có thế điện cực chuẩn lớn hơn. Đây là nguyên tắc dự đoán chiều phản ứng được sử dụng trong chương trình Kết nối tri thức.

Một quy tắc có thể áp dụng để hiểu rõ khi cần viết một phản ứng giữa một kim loại và ion kim loại khác:

Chất khử mạnh tác dụng với chất oxi hóa mạnh để tạo thành chất khử yếu và chất oxi hóa yếu hơn.

Khi làm bài tập, học sinh nên thao tác theo từng bước để dễ dàng xử lý:

Bước 1: Xác định các cặp oxi hóa – khử đề cập trong bài.

Bước 2: So sánh thế điện cực chuẩn của hai cặp.

Bước 3: Chọn dạng khử của cặp có \(E^{o}\) nhỏ hơn và dạng oxi hóa của cặp có \(E^{o}\) lớn hơn.

Bước 4: Viết các bán phản ứng, cân bằng electron rồi cộng lại.

Ví dụ: Fe tác dụng với dung dịch CuSO₄

Dựa vào dãy điện hóa của kim loại, do Cu đứng sau Fe trong dãy nên \(E_{Cu^{2+}\text{/}Cu}^{o}\) > \(E_{Fe^{2+}\text{/Fe}}^{o}\) , từ đó các quá trình xảy ra trong hệ:

Quá trình oxi hóa:

\[Fe\rightarrow Fe^{2+}+2e^-\]

Quá trình khử:

\[Cu^{2+}+2e^-\rightarrow Cu\]

Phản ứng tổng quát:

\[Fe+Cu^{2+}\rightarrow Fe^{2+}+Cu\]

Hiện tượng:

• Thanh Fe tan dần.

• Có lớp đồng màu đỏ bám lên thanh Fe.

• Màu xanh của dung dịch \(CuSO_4\) nhạt dần.

Giới hạn khi sử dụng dãy điện hóa

Không nên sử dụng một cách máy móc trong mọi trường hợp. Cần lưu ý:

• \(HNO_3\)​ và \(H_2SO_4\) đặc có tính oxi hóa mạnh.

• Al, Fe và Cr có thể bị thụ động hóa trong một số acid đặc, nguội

• Kim loại kiềm và một số kim loại kiềm thổ phản ứng với nước trước khi xét phản ứng trực tiếp với ion kim loại. Một số bài tập có thể bẫy khi hỏi về việc cho kim loại kiềm vào dung dịch muối của kim loại và hỏi có thu được kim loại tách ra hay không.

• Thế điện cực chuẩn phản ánh xu hướng nhiệt động trong điều kiện chuẩn, không cho biết phản ứng diễn ra nhanh hay chậm.

Ứng dụng dãy điện hóa của kim loại trong pin Galvani

Pin Galvani là gì?

Pin Galvani là một loại pin điện hóa chuyển hóa năng lượng hóa học của phản ứng oxi hóa – khử tự diễn biến thành điện năng.

Một pin Galvani thường gồm:

• Hai điện cực.

• Hai dung dịch điện li.

• Dây dẫn ngoài.

• Cầu muối hoặc màng ngăn.

Mỗi điện cực tương ứng với một cặp oxi hóa – khử. Hai điện cực thường được nối với nhau bằng cầu muối và dây dẫn ngoài. Trong tiếng Anh, điện hóa học được gọi là electrochemistry, còn pin điện hóa có thể được gọi là electrochemical cell.

Anode và cathode trong pin Galvani

Trong pin Galvani:

Electron truyền qua dây dẫn ngoài theo chiều:

Anode ⟶ Cathode

Trong pin điện hóa hoạt động tự phát, anode là cực âm và xảy ra quá trình oxi hóa; cathode là cực dương và xảy ra quá trình khử.

Trong bình điện phân, cathode là cực âm còn anode là cực dương; tuy nhiên, cathode vẫn là nơi xảy ra quá trình khử và anode vẫn là nơi xảy ra quá trình oxi hóa.

Vai trò của cầu muối

Cầu muối có các chức năng:

• Khép kín mạch điện.

• Cho phép ion di chuyển giữa hai nửa pin để trung hòa điện tích giữa hai điện cực.

• Hạn chế hai dung dịch điện li trộn trực tiếp với nhau.

Cầu muối không dẫn electron. Electron truyền qua dây dẫn kim loại bên ngoài, còn các ion di chuyển qua cầu muối.

Ví dụ, khi Zn bị oxi hóa, lượng ion \(Zn^{2+}\)trong điện cực anode tăng lên. Anion từ cầu muối sẽ di chuyển về phía anode để hạn chế sự tích điện dương.

Ở cathode, ion \(Cu^{2+}\) bị tiêu thụ. Cation từ cầu muối di chuyển về phía điện cực cathode để duy trì cân bằng điện tích.

Cách tính sức điện động chuẩn của pin

Sức điện động chuẩn của pin được tính theo công thức:

\[E^\circ_{\mathrm{pin}} = E^\circ_{\mathrm{cathode}} - E^\circ_{\mathrm{anode}}\]

Công thức sử dụng các giá trị thế khử chuẩn được ghi trong bảng. Không cần đổi dấu \(E_{\text{ }}^{o}\) của anode trước khi thay vào công thức.

Ví dụ: Xét pin Galvani được tạo bởi hai cặp \(Ni^{2+}/Ni\) và \(Cd^{2+}/Cd\):

\(E^\circ_{\mathrm{pin}} = E^\circ_{\mathrm{Ni^{2+}/Ni}} - E^\circ_{\mathrm{Cd^{2+}/Cd}}\).

\(E^\circ_{\mathrm{pin}} = -0{,}257-(-0{,}403) = 0{,}146\ \mathrm{V}\).

Sức điện động chuẩn của pin bằng thế điện cực chuẩn của cathode trừ thế điện cực chuẩn của anode.

Nếu:

• \(E^\circ_{\mathrm{pin}}>0\): Phản ứng theo chiều đã viết có xu hướng tự diễn biến ở điều kiện chuẩn.

• \(E^\circ_{\mathrm{pin}}<0\): Phản ứng không tự diễn biến theo chiều đã viết, chiều ngược lại mới là chiều thuận lợi.

Lưu ý: Đối với quá trình điện phân không tự diễn biến, cần cung cấp năng lượng điện từ nguồn ngoài để cưỡng bức phản ứng xảy ra.

Lỗi thường gặp khi tính sức điện động

• Nhầm công thức thành \(E_{\text{anode }}^{o}\)- \(E_{\text{cathode }}^{o}\).

• Nhân \(E_{cặp\text{ oxi hóa - khử }}^{o}\) với hệ số cân bằng electron.

• Chọn cặp có thế điện cực chuẩn \(E^{o}\) nhỏ hơn làm cathode thay vì cặp có \(E^{o}\)lớn hơn.

• Nhầm lẫn về ion và electron trong quá trình di chuyển.

Thế điện cực chuẩn \(E^{o}\) là đại lượng cường độ nên không nhân với hệ số cân bằng electron. Vì vậy, khi nhân một bán phản ứng với hệ số để cân bằng electron, giá trị \(E^{o}\) của cặp oxi hóa – khử vẫn không thay đổi.

Bài tập vận dụng dãy điện hoá của kim loại

Bài 1: So sánh tính oxi hóa và tính khử

Cho:

\(E_{Sn^{2+}\text{/Sn}}^{o}\)=− 0,137 , \(E_{Cu^{2+}\text{/}Cu}^{o}\) = 0,34V

So sánh tính oxi hóa của \(Sn^{2+}\), \(Cu^{2+}\) và tính khử của Sn, Cu.

Phân tích đề bài

1. Dạng bài: So sánh tính oxi hóa và tính khử dựa vào thế điện cực chuẩn.

2. Dữ kiện đề cho:

\(E_{Sn^{2+}\text{/Sn}}^{o}\)= −0,137

\(E_{Cu^{2+}\text{/}Cu}^{o}\) = 0,34V

• Thông tin cần tìm:

  • So sánh tính oxi hóa của \(Sn^{2+}\) và \(Cu^{2+}\).

  • So sánh tính khử của Sn và Cu.

Kiến thức cần dùng

• Trong hai cặp oxi hóa – khử, cặp có \(E^{o}\) lớn hơn thì dạng oxi hóa có tính oxi hóa mạnh hơn.

• Ngược lại, cặp có \(E^{o}\) nhỏ hơn thì dạng khử có tính khử mạnh hơn.

Lời giải

Ta có:

\(E_{Sn^{2+}\text{/Sn}}^{o}\) < \(E_{Cu^{2+}\text{/}Cu}^{o}\)

Cặp có \(E^{o}\) lớn hơn có dạng oxi hóa mạnh hơn. Vì vậy:

Tính oxi hóa:

\(Cu^{2+}\)> \(Sn^{2+}\)

Ngược lại, dạng khử của cặp có \(E^{o}\) nhỏ hơn có tính khử mạnh hơn:

Tính khử:
Sn > Cu

Phản ứng xảy ra:

Sn + \(Cu^{2+}\rightarrow\) \(Sn^{2+}\)+ Cu

Bài 2: Xét phản ứng giữa kim loại và acid

Cho Cu vào dung dịch HCl loãng. Biết:

\(E_{Cu^{2+}\text{/}Cu}^{o}\)= 0,340 , \(E_{H^{+}\text{/H}_{\text{2}}}^{o}\) = 0,00V.

Cu có phản ứng với HCl loãng không?

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xét khả năng xảy ra phản ứng oxi hóa – khử giữa kim loại và acid dựa vào thế điện cực chuẩn.

• Dữ kiện đề cho:

  • Kim loại Cu được cho vào dung dịch HCl loãng.

  • \(E_{Cu^{2+}\text{/}Cu}^{o}\)= 0,340.

  • \(E_{H^{+}\text{/H}_{\text{2}}}^{o}\) = 0,00V.

• Thông tin cần tìm: Xác định Cu có phản ứng với \(H^{+}\) trong dung dịch HCl loãng để giải phóng \(H_2\) hay không.

Kiến thức cần dùng

• Kim loại muốn phản ứng với acid giải phóng \(H_2\) phải có khả năng khử \(H^{+}\) thành \(H_2\).

• Dạng khử của cặp có \(E^{o}\) càng nhỏ thì tính khử càng mạnh.

• Kiểm tra khả năng tự diễn biến của phản ứng.

Lời giải

Phản ứng giả định:

Cu + 2\(H^{+}\)\(\rightarrow\) \(Cu^{2+}\)+ \(H_2\).

Để phản ứng xảy ra, Cu phải đóng vai trò chất khử và \(H^{+}\) phải đóng vai trò chất oxi hóa.

Ta có:

\(E_{Cu^{2+}\text{/}Cu}^{o}\) > \(E_{H^{+}\text{/H}_{\text{2}}}^{o}\).

Cu là dạng khử của cặp có \(E^{o}\) lớn hơn nên có tính khử yếu hơn \(H_2\). Vì vậy, Cu không thể khử \(H^{+}\)thành \(H_2\).

Kết luận: Cu không phản ứng với dung dịch HCl loãng.

Cu vẫn có thể phản ứng với các acid có tính oxi hóa mạnh như (\(HNO_3\)) và (\(H_2SO_4\)) đặc, nóng. Khi đó, chất oxi hóa trực tiếp không còn chỉ là \(H^{+}\).

Bài 3: Xác định điện cực và sức điện động chuẩn

Một pin Galvani được tạo từ hai cặp:

\(Pb^{2+}\text{/Pb}\) và \(Zn^{2+}\text{/Zn}\).

Cho:

\(E_{Pb^{2+}\text{/Pb}}^{o}\)= −0,126V , \(E_{Zn^{2+}\text{/Zn}}^{o}\) = \(-\)0,762V.

a) Xác định anode, cathode, viết phản ứng và tính sức điện động chuẩn của pin.

b) Khi pin hoạt động, điện cực nào sẽ tăng (hoặc giảm) khối lượng?

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Pin Galvani – xác định anode, cathode, phản ứng điện cực và tính sức điện động chuẩn.

• Dữ kiện đề cho:
  \(E_{Pb^{2+}\text{/Pb}}^{o}\)= −0,126V.
  \(E_{Zn^{2+}\text{/Zn}}^{o}\) = \(-\)0,762V.

• Thông tin cần tìm:

  • Xác định điện cực anode và cathode.

  • Viết các bán phản ứng và phản ứng tổng.

  • Tính \(E_{\text{pin }}^{o}\).

  • Xác định sự thay đổi khối lượng của hai điện cực khi pin hoạt động.

Kiến thức cần dùng

Trong pin Galvani:

• Cặp có thế điện cực chuẩn \(E_{\text{ }}^{o}\) nhỏ hơn thường cung cấp dạng khử tại anode; cặp có E∘ lớn hơn cung cấp dạng oxi hóa tại cathode.

• Sức điện động chuẩn của pin:

\(E_{\text{pin }}^{o}\)= \(E_{\text{cathode }}^{o}\)- \(E_{\text{anode }}^{o}\)

• Điện cực kim loại bị oxi hóa thành ion sẽ giảm khối lượng.

• Ion kim loại bị khử thành kim loại bám lên điện cực sẽ làm điện cực tăng khối lượng.

Lời giải

a) Xác định anode, cathode và sức điện động chuẩn

Bước 1: Xác định anode và cathode

Do:

\(E_{Zn^{2+}\text{/Zn}}^{o}\) < \(E_{Pb^{2+}\text{/Pb}}^{o}\)

nên Zn là dạng khử mạnh hơn và bị oxi hóa.

Anode: Zn.

Cathode: \(Pb^{2+}\text{/Pb}\).

Bước 2: Viết quá trình tại mỗi điện cực

Tại anode xảy ra quá trình oxi hóa:

\(Zn\rightarrow Zn^{2+}+2e^-\)

Tại cathode xảy ra quá trình khử:

\(Pb^{2+}+2e^-\rightarrow Pb\)

Bước 3: Viết phản ứng tổng

\(Zn+Pb^{2+}\rightarrow Zn^{2+}+Pb\)

Bước 4: Tính sức điện động chuẩn

\(E^\circ_{\mathrm{pin}} = E^\circ_{\mathrm{Pb^{2+}/Pb}} - E^\circ_{\mathrm{Zn^{2+}/Zn}}\)

\(E^\circ_{\mathrm{pin}} = -0{,}126-(-0{,}762) = 0{,}636\ \mathrm{V}\)
Vậy:

\(E_{\text{pin }}^{o}\)= 0,636V.

b) Sự thay đổi khối lượng các điện cực.

Tại điện cực Zn:

Zn \(\rightarrow\) \(Zn^{2+}\)+ 2e.

Zn kim loại chuyển thành ion \(Zn^{2+}\) đi vào dung dịch nên điện cực Zn giảm khối lượng.

Tại điện cực Pb:

\(Pb^{2+}+2e^-\rightarrow Pb\).

Ion \(Pb^{2+}\) nhận electron tạo thành Pb kim loại bám lên điện cực nên điện cực Pb tăng khối lượng.

Câu hỏi trắc nghiệm tự luyện

Câu 1. Cho:

\(E_{Mg^{2+}\text{/Mg}}^{o}\) = -2,37 V.

\(E_{Zn^{2+}\text{/Zn}}^{o}\) = -0,762V.

Phản ứng nào có thể tự diễn biến trong điều kiện chuẩn?

A. Zn + \(Mg^{2+}\rightarrow\) \(Zn^{2+}\)+ Mg.

B. \(Zn^{2+}\) + \(Mg\rightarrow\) Zn + \(Mg^{2+}\).

C. Cả A và B.

D. Không có phản ứng.

Đáp án: B

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xác định chiều tự diễn biến của phản ứng oxi hóa – khử dựa vào thế điện cực chuẩn.

• Dữ kiện đề cho:
  \(E_{Mg^{2+}\text{/Mg}}^{o}\) = -2,37 V.
  \(E_{Zn^{2+}\text{/Zn}}^{o}\) = -0,762V.

• Thông tin cần tìm: Xác định phản ứng nào có thể tự diễn biến trong điều kiện chuẩn.

Kiến thức cần dùng

• Dạng khử của cặp có \(E_{\text{pin }}^{o}\) nhỏ hơn có tính khử mạnh hơn.

• Dạng oxi hóa của cặp có \(E_{\text{pin }}^{o}\) lớn hơn có tính oxi hóa mạnh hơn.

Lời giải

Ta có:

\(E_{Mg^{2+}\text{/Mg}}^{o}\) < \(E_{Zn^{2+}\text{/Zn}}^{o}\).

Do đó Mg có tính khử mạnh hơn Zn, còn \(Zn^{2+}\) có tính oxi hóa mạnh hơn \(Mg^{2+}\).

Vì vậy phản ứng tự diễn biến là:

B. \(Zn^{2+}\) + \(Mg\rightarrow\) Zn + \(Mg^{2+}\).

Câu 2:

Trong pin Fe–Cu, electron truyền theo chiều nào?

A. Từ Cu sang Fe.
B. Từ Fe sang Cu.
C. Từ cầu muối sang Fe.
D. Từ dung dịch này sang dung dịch kia.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xác định chiều chuyển động của electron trong pin điện hóa.

• Dữ kiện đề cho: Pin được tạo bởi hai điện cực Fe và Cu.

• Thông tin cần tìm: Chiều truyền electron qua mạch ngoài.

Kiến thức cần dùng

• Trong pin Galvani, electron luôn truyền qua mạch ngoài từ anode sang cathode.

• Điện cực của cặp có \(E_{\text{pin }}^{o}\) nhỏ hơn là anode.

Lời giải

Fe có \(E_{\text{ }}^{o}\) nhỏ hơn Cu nên Fe là anode và bị oxi hóa.

Electron luôn truyền từ anode sang cathode qua mạch ngoài.

Do đó electron truyền:

\(Fe\rightarrow Cu\).

Đáp án: B. Từ Fe sang Cu.

Câu 3. Trong pin điện hóa Cu-Ag tại điện cực đồng xảy ra quá trình:

A. Oxi hóa \(H_2O\).

B. Khử \(Cu^{2+}\).

C. Khử \(H_2O\).

D. Oxi hóa Cu.

Phân tích đề bài

• Dạng bài: Xác định quá trình xảy ra tại một điện cực trong pin Galvani.

• Dữ kiện đề cho: Pin điện hóa gồm hai điện cực Cu và Ag.

• Thông tin cần tìm: Quá trình xảy ra tại điện cực Cu.

Kiến thức cần dùng

• \(E_{Ag^{+}\text{/Ag}}^{o}\) lớn hơn \(E_{Cu^{2+}\text{/Cu}}^{o}\), vì vậy Ag là cathode và Cu là anode.

• Tại anode luôn xảy ra quá trình oxi hóa.

Lời giải

Trong pin Cu–Ag, Cu là anode nên tại điện cực Cu xảy ra quá trình oxi hóa:

Cu \(\rightarrow\) \(Cu^{2+}\)+ 2e

Đáp án: D. Oxi hóa Cu.

Dãy điện hóa của kim loại được xây dựng bằng cách sắp xếp các cặp oxi hóa – khử theo chiều tăng dần của thế điện cực chuẩn. Giá trị càng lớn thì dạng oxi hóa càng mạnh, trong khi dạng khử càng yếu. Khi so sánh hai cặp, dạng khử của cặp có \(E_{}^{o}\) nhỏ hơn có thể phản ứng với dạng oxi hóa của cặp có lớn hơn.

Trong pin Galvani, anode xảy ra oxi hóa, cathode xảy ra khử và electron đi từ anode sang cathode. Để tính sức điện động chuẩn, áp dụng:

\(E_{\text{pin }}^{o}\)= \(E_{\text{cathode }}^{o}\)- \(E_{\text{anode }}^{o}\)

Nắm chắc bản chất của dãy điện hóa của kim loại sẽ giúp học sinh xử lí hiệu quả các bài tập phản ứng oxi hóa – khử và pin điện hóa trong kỳ thi tốt nghiệp.