Giải chi tiết Hóa học 12 CTST bài 12 Thế điện cực và nguồn điện hóa học

MỞ ĐẦU

Người ta dùng hai sợi dây làm bằng hai kim loại khác nhau cắm vào một quả chanh và nối với một bóng đèn 3V thì thấy bóng đèn sáng. Như vậy, quả chanh có cắm hai sợi dây kim loại khác nhau đóng vai trò như một viên pin, phát sinh ra dòng điện.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin như thế nào?

Bài làm chi tiết:

- Pin có cấu tạo gồm hai điện cực, mỗi điện cực ứng với một cặp oxi hoá – khử và thường nối với nhau qua cầu muối.

- Nguyên tắc hoạt động: ở anode (cực âm) xảy ra quá trình oxi hoá, ở cathode (cực dương) xảy ra quá trình khử.

1. CẶP OXI HOÁ – KHỬ CỦA KIM LOẠI

Thảo luận 1: Xác định dạng oxi hoá và dạng khử trong các quá trình (2) và (3).

Bài làm chi tiết:

- Quá trình (2): dạng oxi hoá là Cu²⁺, dạng khử là Cu.

- Quá trình (3): dạng oxi hoá là Ag⁺, dạng khử là Ag

Thảo luận 2: Viết các cặp oxi hoá – khử trong quá trình (2) và (3).

Bài làm chi tiết:

- Quá trình (2) có cặp oxi hoá – khử: Cu²⁺/Cu.

- Quá trình (3) có cặp oxi hoá – khử: Ag⁺/Ag.

Luyện tập: Viết các cặp oxi hoá – khử của kim loại Na, Mg và Al.

Bài làm chi tiết:

Các cặp oxi hoá – khử của:

- Kim loại Na: Na⁺/Na.

- Kim loại Mg: Mg²⁺/Mg.

- Kim loại Al: Al³⁺/Al.

2. THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI VÀ PIN GALVANI

Thảo luận 3: Quan sát Hình 12.1, hãy mô tả cấu tạo của pin Galvani. Cho biết cực dương, cực âm và chiều di chuyển của electron trong pin.

Bài làm chi tiết:

- Pin Galvani Zn-Cu gồm điện cực kẽm và điện cực đồng được nối với nhau bởi cầu muối.

- Cực dương: Cu, cực âm: Zn.

- Chiều di chuyển của electron trong pin: đi từ cực âm sang cực dương (ngược chiều dòng điện).

Thảo luận 4: Điện cực nào bị tan dần trong pin Galvani Zn-Cu?

Bài làm chi tiết:

Điện cực bị tan dần trong pin Galvani Zn – Cu là điện cực âm (Zn).

3. Ý NGHĨA CỦA DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN KIM LOẠI

Thảo luận 5: Dựa vào Bảng 12.1, hãy sắp xếp theo chiều tăng dần tính oxi hoá của các ion Li⁺, Fe²⁺, Ag⁺ và chiều tăng dần tính khử của các kim loại tương ứng.

Bài làm chi tiết:

- Chiều tăng dần tính oxi hoá: Li⁺, Fe²⁺, Ag⁺.

- Chiều tăng dần tính khử: Ag⁺, Fe²⁺, Li⁺.

Thảo luận 6: Cho Al và Ag vào dung dịch HCl 1 M. Dựa vào Bảng 12.1, dự đoán phản ứng nào có thể xảy ra. Viết phương trình hoá học của phản ứng (nếu có).

Bài làm chi tiết:

Phản ứng có thể xảy ra là phản ứng cho Al vào dung dịch HCl 1 M. Phương trình hoá học: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑

Thảo luận 7: Dựa vào Bảng 12.1, xác định cathode và anode trong pin điện hoá Zn-Pb gồm điện cực chuẩn Zn²⁺/Zn và điện cực chuẩn Pb²⁺/Pb. Tính sức điện động chuẩn của pin.

Bài làm chi tiết:

- Cathode của pin điện hoá: Pb, anode của pin điện hoá: Zn.

- Ta có: EZn2+/Zno=-0,76; EPb2+/Pbo=-0,13. Vậy sức điện động chuẩn của pin là: Epino=Ecathodeo-Eanodeo=-0,13--0,76=0,63 V

4. MỘT SỐ LOẠI PIN KHÁC

Thảo luận 8: Hãy nêu một số ứng dụng của pin mặt trời trong đời sống.

Bài làm chi tiết:

Một số ứng dụng của pin mặt trời trong đời sống: chiếu sáng công cộng, đèn giao thông, phương tiện giao thông, vệ tinh,…

Thảo luận 9: Hãy nêu một số thiết bị sử dụng acquy mà em biết.

Bài làm chi tiết:

Một số thiết bị sử dụng acquy mà em biết: xe máy, ô tô, đèn thắp sáng,…

Thảo luận 10: Tìm hiểu và nêu ưu, nhược điểm của pin nhiên liệu, pin mặt trời và acquy.

Bài làm chi tiết:

- Pin nhiên liệu:

+ Ưu điểm: nhiên liệu được bổ sung liên tục nên thời gian hoạt động của pin không bị hạn chế.

+ Nhược điểm: công nghệ chưa được phổ biến và giá thành cao.

- Pin mặt trời:

+ Ưu điểm: được tạo ra từ nguồn năng lượng xanh (từ ánh sáng mặt trời), thân thiện với môi trường, chi phí không quá cao, thời gian sử dụng rộng rãi.

+ Nhược điểm: pin mặt trồi cần được lắp đặt trên không gian rộng (như mái nhà) để pin tiếp xúc với ánh sáng mặt trời, khó di chuyển.

- Acquy:

+ Ưu điểm: dung lượng, tuổi thọ, khả năng chịu tải cao và acquy dễ dàng tích hợp với nhiều thiết bị khác nhau.

+ Nhược điểm: thời gian sạc lâu, trọng lượng nặng, giá thành cao,…

Vận dụng: Lắp ráp thêm một số pin đơn giản từ các nguyên liệu khác và đo sức điện động của pin.

Bài làm chi tiết:

Thí nghiệm: Lắp ráp pin từ đồng xu và đo sức điện động của pin

Dụng cụ: 1 đồng xu, giấy bạc, giấy bìa cứng (giấy carton cứng), dây dẫn.

Nguyên liệu: giấm ăn.

Tiến hành:

- Cắt những miếng giấy carton có kích thước vừa bằng đồng xu, cắt giấy bạc thành nhiều miếng tương tự như giấy carton.

- Ngâm giấy carton vào giấm ăn sao cho giấm ngấm đều các mặt của giấy.

- Tiến hành xếp theo thứ tự tiền xu – giấy ngâm giấm – giấy bạc.

- Tiến hành ghi nhận giá trị hiện trên vôn kế.

Sức điện động của pin là: 0,987 V.

BÀI TẬP

Bài 1: Cho các kim loại: K, Mg, Al, Ag. Hãy viết các cặp oxi hoá – khử tạo bởi các kim loại đó và dựa vào bảng giá trị thế điện cực chuẩn, sắp xếp theo thứ tự giảm dần tính oxi hoá của các ion kim loại tương ứng.

Bài làm chi tiết:

- Các cặp oxi hoá – khử tạo bởi các kim loại đó là: K⁺/K, Mg²⁺/Mg, Al³⁺/Al, Ag⁺/Ag.

- Thứ tự giảm dần tính oxi hoá là: Ag⁺, Al³⁺, Mg²⁺, K⁺.

Bài 2: Xác định chiều của các phản ứng hoá học xảy ra giữa các cặp oxi hoá – khử: Cu²⁺/Cu, Zn²⁺/Zn và Ag⁺/Ag ở điều kiện chuẩn. Giải thích và viết phương trình hoá học.

Bài làm chi tiết:

- Các cặp oxi hoá – khử: Cu²⁺/Cu và Zn²⁺/Zn

Ta có: EZn2+/Zno= -0,76 V < ECu2+/Cuo = 0,34 V

PTHH: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

- Các cặp oxi hoá – khử: Cu²⁺/Cu và Ag⁺/Ag

Ta có: ECu2+/Cuo= 0,34 V < EAg+/Ago = 0,80 V

PTHH: Cu + Ag⁺ → Cu²⁺ + Ag

- Các cặp oxi hoá – khử: Zn²⁺/Zn và Ag⁺/Ag

Ta có: EZn2+/Zno= -0,76 V < EAg+/Ago = 0,80 V

PTHH: Zn + Ag⁺ → Zn²⁺ + Ag

Bài 3: Trong pin điện hoá, quá trình khử

A. xảy ra ở cực âm.         B. xảy ra ở cực dương.

C. xảy ra ở cực âm và cực dương.     D. không xảy ra ở cả cực âm và cực dương.

Bài làm chi tiết:

Chọn đáp án B vì trong pin điện hoá, quá trình khử xảy ra ở cực dương còn quá trình oxi hoá xảy ra ở cực âm.

Bài 4: Khi pin Galvani Zn-Cu hoạt động thì nồng độ

A. Cu²⁺ giảm, Zn²⁺ tăng. B. Cu²⁺ giảm, Zn²⁺ giảm.

C. Cu²⁺ tăng, Zn²⁺ tăng. D. Cu²⁺ tăng, Zn²⁺ giảm.

Bài làm chi tiết:

Chọn đáp án A vì:

- Điện cực Zn bị oxi hoá: Zn → Zn²⁺ + 2e (sự mất electron xảy ra trên bề mặt Zn và Zn trở thành nguồn electron nên đóng vai trò cực âm, các electron theo dây dẫn đến cực (Cu), khối lượng điện cực Zn giảm, nồng độ Zn²⁺ tăng.

- Trong cốc đựng dung dịch CuSO₄, các ion Cu²⁺ di chuyển đến thanh Cu, tại đây chúng bị khử thành Cu kim loại bám trên cực đồng: Cu²⁺ + 2e → Cu. Nồng độ Cu²⁺ trong dung dịch giảm dần, khiến cho màu xanh trong dung dịch nhạt dần.

Bài 5: Cho một pin điện hoá được tạo bởi các cặp oxi hoá khử Fe²⁺/Fe, Ag⁺/Ag ở điều kiện chuẩn. Quá trình xảy ra ở cực âm khi pin hoạt động là

A. Fe → Fe²⁺ + 2e B. Fe²⁺ +2e → Fe

C. Ag⁺ + 1e → Ag  D. Ag → Ag⁺ + 1e

Bài làm chi tiết:

Chọn đáp án C vì khi pin hoạt động, ở cực âm xảy ra quá trình oxi hoá và trong bài này pin điện hoá có cực âm là Ag.

Bài 6: Dựa vào Bảng 12.1, tính sức điện động chuẩn của các pin điện hoá tạo bởi các cặp oxi hoá – khử sau: Fe²⁺/Fe và Cu²⁺/Cu; Sn²⁺/Sn và Ag⁺/Ag; Pb²⁺/Pb và Ag⁺/Ag.

Bài làm chi tiết:

Sức điện động chuẩn của các pin điện hoá tạo bởi các cặp oxi hoá – khử là:

- Fe²⁺/Fe và Cu²⁺/Cu: Epino=ECu2+/Cuo-EFe2+/Feo=0,34--0,44=0,78 V

- Sn²⁺/Sn và Ag⁺/Ag: Epino=EAg+/Ago-ESn2+/Sno=0,80--0,14=0,94 V

- Pb²⁺/Pb và Ag⁺/Ag: Epino=EAg+/Ago-ESn2+/Sno=0,80--0,13=0,93 V