Giải chi tiết Hóa học 12 cánh diều bài 11 Nguồn điện hóa học

MỞ ĐẦU

Hình 11.1 mô tả một số loại pin thường được sử dụng trong đời sống. Vậy hoạt động của các pin trên dựa trên loại phản ứng hóa học nào?

Bài làm chi tiết: 

Từ hình 11.1 ta thấy hoạt động của các pin trên dựa trên loại phản ứng oxi hóa – khử.

I. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA PIN GALVANI

Câu hỏi 1: Khi nhúng một thanh kẽm vào dung dịch CuSO₄ thì electron từ thanh kẽm sẽ chuyển trực tiếp hay gián tiếp đến ion Cu²⁺ trong dung dịch? Giải thích.

Bài làm chi tiết: 

Khi nhúng một thanh kẽm vào dung dịch CuSO₄ thì electron từ thanh kẽm được chuyển trực tiếp đến ion Cu²⁺ vì thanh kẽm được tiếp xúc trực tiếp với dung dịch CuSO₄.

Luyện tập 1: Hãy mô tả cấu tạo mỗi pin Galvani sau: 

1. Fe-Cu.
2. Cu-Ag.
3. Fe-Ag.

Bài làm chi tiết: 

Các loại pin Galvani trên có cấu tạo như sau:

1. Cắm trực tiếp thanh kim loại Fe vào cốc đựng dung dịch Fe²⁺ và tương tự với thanh kim loại Cu vào cốc đựng dung dịch Cu²⁺. Hai cốc đựng dung dịch được nối sẵn với nhau bởi cầu muối, hai thanh kim loại được nối với một vôn kế bằng dây dẫn điện.
2. Cắm trực tiếp thanh kim loại Cu vào cốc đựng dung dịch Cu²⁺ và tương tự với thanh kim loại Ag vào cốc đựng dung dịch Ag⁺. Hai cốc đựng dung dịch được nối sẵn với nhau bởi cầu muối, hai thanh kim loại được nối với một vôn kế bằng dây dẫn điện.
3. Cắm trực tiếp thanh kim loại Fe vào cốc đựng dung dịch Fe²⁺ và tương tự với thanh kim loại Ag vào cốc đựng dung dịch Ag⁺. Hai cốc đựng dung dịch được nối sẵn với nhau bởi cầu muối, hai thanh kim loại được nối với một vôn kế bằng dây dẫn điện.

Luyện tập 2: Hãy nêu nguyên tắc hoạt động của pin Galvani Zn-Ag và viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra trong pin.

Bài làm chi tiết: 

• Nguyên tắc hoạt động của pin Galvani Zn-Ag: 

Tại anode (Zn): Zn nhường electron, chuyển thành ion Zn²⁺ tan vào dung dịch.

Tại cathode (Ag): Ion Ag⁺ trong dung dịch nhận electron (từ điện cực Zn qua dây dẫn chuyển sang điện cực Ag) chuyển thành Ag bám lên điện cực Ag. 

• Phương trình hóa học:

Zn s+Cu2+aq                Zn2+ aq+ Cu (s)

Câu hỏi 2: Cho biết thế điện cực chuẩn của cặp EoZn2+/Zn=-0,763 V và EoCu2+/Cu=0,340 V. Hãy tìm biểu thức liên hệ hai giá trị này với giá trị sức điện động chuẩn của pin Zn-Cu (bằng 1,103 V).

Bài làm chi tiết: 

Vì EoZn2+/Zn<EoCu2+/Cu, 

• Eopin=EoCu2+/Cu-EoZn2+/Zn=0,340+0,763=1,103 (V).

II. THỰC HÀNH LẮP MỘT SỐ PIN ĐƠN GIẢN 

Luyện tập 3: Từ Bảng 10.1, hãy so sánh sức điện động chuẩn của pin Galvani Zn-Ni và Sn-Cu.

Bài làm chi tiết: 

Sức điện động tiêu chuẩn của pin Galvani Zn-Ni:

Eopin(Zn-Ni)=EoNi2+/Ni-EoZn2+/Zn=-0,257+0,763=0,506 (V).

Sức điện động tiêu chuẩn của pin Galvani Sn-Cu:

Eopin(Sn-Cu)=EoCu2+/Cu-EoSn2+/Sn=0,340+0,138=0,478 (V).

Thí nghiệm: Thực hành lắp pin đơn giản.

Chuẩn bị: 

• Hóa chất: Hai thanh (hoặc dây) kim loại khác nhau (ví dụ đồng, kẽm,...), dung dịch chất điện li (ví dụ dung dịch HCl, H₂SO₄ loãng, NaCl,... hoặc quả chanh, quả táo,...).
• Dụng cụ: Vôn kế (hoặc đèn led nhỏ để nhận biết sự xuất hiện của dòng điện), dây dẫn, cốc thủy tinh.

Tiến hành:

• Cắm hai thanh (hoặc dây) kim loại vào cốc chứa dung dịch chất điện li (hoặc quả chanh, quả táo,...).
• Đo sức điện động giữa hai thanh (hoặc dây) kim loại bằng vôn kế (Hình 11.3).

Yêu cầu: Quan sát và mô tả hiện tượng xảy ra.

Chú ý an toàn: Hai thanh kim loại trong pin không được chạm vào nhau.

Bài làm chi tiết: 

Sau một lúc ta sẽ thấy vôn kế có sự dịch chuyển do dòng điện được sinh ra nhờ việc cắm hai thanh kim loại trong dung dịch chất điện li.

III. GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI PIN THÔNG DỤNG KHÁC

Vận dụng 1: Tìm hiểu và cho biết một số hạn chế nếu sử dụng pin Galvani Zn-Cu trong đèn pin.

Bài làm chi tiết: 

Việc sử dụng pin Galvani Zn-Cu trong đèn pin có thể gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc kim loại ở các làng nghề tái chế và thu gom, đồng thời tuổi thọ của loại pin này thấp và không phù hợp để sử dụng lâu dài.

Luyện tập 4: Hãy nêu một số trường hợp sử dụng acquy trong thực tế mà em biết.

Bài làm chi tiết: 

Tác dụng của acquy trong thực tế:

• Cung cấp điện cho xe điện, xe máy, ô tô... để khởi động một cách bình thường.
• Cung cấp nguồn điện dùng cho năng lượng xanh.
• Là nguồn dự trữ có tuổi thọ cao, có thể cung ứng nhiên liệu.

Câu hỏi 3: Mỗi phát biểu sau đây là đúng hay sai?

1. Pin mặt trời biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng.
2. Pin mặt trời là nguồn năng lượng xanh.
3. Khi hoạt động, pin mặt trời không gây hiệu ứng nhà kính.
4. Khi hoạt động, pin mặt trời gây mưa acid và làm Trái Đất nóng lên.

Bài làm chi tiết: 

1. Đúng.
2. Đúng.
3. Đúng.
4. Sai. Khi hoạt động, pin mặt trời không gây ra bất kỳ chất hóa học nào có hại cho môi trường.

Vận dụng 2: Tìm hiểu và giải thích những vùng miền nào ở Việt Nam thích hợp với việc phát triển điện mặt trời.

Bài làm chi tiết: 

Những tỉnh ở khu vực miền Trung và miền Nam rất thích hợp với việc phát triển điện mặt trời nhờ điều kiện tự nhiên thuận lợi với lượng bức xạ mặt trời và tổng số giờ nắng trong năm cao.

BÀI TẬP 

Bài 1: Sử dụng bảng thế điện cực chuẩn, xác định sức điện động chuẩn của pin Galvani tạo bởi các cặp oxi hóa – khử sau, đồng thời chỉ ra điện cực dương, điện cực âm của pin trong mỗi trường hợp:

Bài làm chi tiết: 

Ta có sức điện động của từng loại pin Galvani trong từng trường hợp:

1. Eopin(Ni-Ag)=EoAg+/Ag-EoNi2+/Ni=0,799+0,257=1,056 (V)

Điện cực dương: Ni

Điện cực âm: Ag.

1. Eopin=Eo2H+/H2-EoZn2+/Zn=0+0,763=0,763 (V)

Điện cực dương: Zn

Điện cực âm: H⁺.

Bài 2: Nêu ý kiến của em về nhận định: Pin nhiên liệu hydrogen và pin mặt trời sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong tương lai.

Bài làm chi tiết: 

Theo em, nhận định trên là đúng nhờ những lợi ích thiết thực của pin nhiên liệu hydrogen và pin mặt trời, như: không tạo ra chất thải hóa học, giảm thải carbon cho các lĩnh vực công nghiệp, tăng lượng thời gian sử dụng trong ngày và dễ sử dụng…

Bài 3: Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về pin Galvani?

1. Anode là điện cực dương.
2. Cathode là điện cực âm.
3. Ở điện cực âm xảy ra quá trình oxi hóa.
4. Dòng electron di chuyển từ cathode sang anode.

Bài làm chi tiết: 

Chọn đáp án D.

Bài 4: Những phát biểu nào sau đây là đúng?

1. Phản ứng hóa học xảy ra trong pin Galvani là phản ứng tự diễn biến.
2. Trong pin Galvani, điện cực âm là nơi xảy ra quá trình khử.
3. Sức điện động của pin Galvani là hiệu điện thế giữa hai điện cực.
4. Pin Galvani tạo ra dòng điện từ quá trình vật lí.

Bài làm chi tiết: 

Những phát biểu đúng: (a), (b).

1. Sai. Vì sức điện động của pin Galvani là hiệu thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử.
2. Sai. Vì dòng điện từ tạo ra từ quá trình hóa học.

Bài 5: Cho phản ứng trong một pin Galvani như sau:

2Crs+3Cu2+aq → 2Cr3+aq+3Cu(s)

Hãy cho biết quá trình xảy ra ở anode và cathode khi pin hoạt động.

Bài làm chi tiết: 

Khi pin hoạt động:

Tại anode (Cr) xảy ra: Cr                    Cr3++3e 

Tại cathode (Cu) xảy ra:  Cu2++2e                   Cu