Giải chi tiết Hóa học 12 KNTT bài 15 Thế điện cực và nguồn điện hóa học

MỞ ĐẦU

Câu hỏi: Pin điện hóa là nguồn năng lượng được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị như đèn pin, điện thoại, laptop, máy tính cầm tay, đồng hồ, xe đạp điện, xe máy điện, ô tô, máy bay không người lái,... Pin điện hóa có cấu tạo như thế nào? Phản ứng oxi hóa – khử đóng vai trò gì trong hoạt động của pin điện hóa? Làm thế nào để lắp ráp được một số pin điện hóa đơn giản?

Bài làm chi tiết:

- Pin điện hóa có cấu tạo gồm hai điện cực, mỗi điện cực ứng với mỗi cặp oxi hóa – khử và thường nối với nhau qua mối nối.

- Phản ứng oxi hóa – khử đóng vai trò tạo ra một dòng electron từ anode đến cathode qua một dây nối, tạo ra dòng điện.

- Cách lắp ráp được một số pin điện hóa đơn giản:

+ Chọn hai điện cực của hai thanh kim loại khác nhau, ví dụ như thanh kẽm và thanh đồng.

+ Cắm hai thanh kim loại vào quả chanh.

+ Nối cực âm của vôn kế với thanh kẽm và cực dương của vôn kế với thanh đồng.

I. CẶP OXI HÓA - KHỬ

Hoạt động: Nhúng một thanh kẽm vào cốc đựng dung dịch copper(II) sulfate (Hình 15.2a), sau một thời gian nhấc thanh kẽm ra thì thấy xuất hiện một lớp đồng màu đỏ bám vào thanh kẽm (Hình 15.2b).

1. Viết phương trình hóa học dạng ion rút gọn của phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong thí nghiệm.

2. Viết quá trình oxi hóa nguyên tử Zn và quá trình khử Cu²⁺. Chỉ ra dạng oxi hóa và dạng khử trong mỗi quá trình.

3. Biểu diễn dạng oxi hóa và dạng khử của mỗi nguyên tố trên như sau: dạng oxi hóa/dạng khử.

Bài làm chi tiết:

1. Phương trình hóa học dạng ion rút gọn:

Cu²⁺ + Zn ⟶ Zn²⁺ + Cu

2. - Quá trình oxi hóa nguyên tử Zn: Zn ⟶ Zn²⁺  + 2e

Dạng oxi hóa: Zn²⁺, dạng khử: Zn.

- Quá trình khử Cu²⁺: Cu²⁺ + 2e ⇌ Cu

Dạng oxi hóa: Cu²⁺, dạng khử: Cu.

3. Dạng oxi hóa và dạng khử của mỗi nguyên tố: Zn²⁺/Zn, Cu²⁺/Cu.

Câu hỏi 1: Viết bán phản ứng hoặc cặp oxi hóa – khử còn thiếu trong bảng dưới đây vào vở:

Bài làm chi tiết:

Câu hỏi 2: Cho đinh sắt (iron) tác dụng với dung dịch hydrochloric acid, thu được muối iron(II) chloride và khí hydrogen.

a) Viết phương trình hóa học của phản ứng ở dạng ion thu gọn.

b) Xác định các cặp oxi hóa – khử trong các phản ứng trên.

Bài làm chi tiết:

a) Phương trình hóa học của phản ứng ở dạng ion thu gọn:

Fe + 2H⁺ ⟶ Fe²⁺ + H₂

b) Cặp oxi hóa – khử: 2H⁺/H₂, Fe²⁺/Fe.

II. THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN

Câu hỏi 3: Cho các cặp oxi hóa – khử sau: Na⁺/Na, Mg²⁺/Mg, Zn²⁺/Zn, Al³⁺/Al, Fe²⁺/Fe, Ag⁺/Ag, 2H⁺/H₂, Cu²⁺/Cu.

Dựa vào Bảng 15.1 sắp xếp các cặp oxi hóa – khử trên theo chiều giảm dần tính khử của dạng khử.

Bài làm chi tiết:

Chiều giảm dần tính khử của dạng khử: 

Na > Mg > Al > Zn > Fe > H₂ > Cu > Ag.

Hoạt động: Nghiên cứu về chiều phản ứng giữa các cặp oxi hóa – khử

Xét hai phương trình oxi hóa – khử sau:

Zn + Cu²⁺ ⟶ Zn²⁺ + Cu (1)

Cu + 2Ag⁺ ⟶ Cu²⁺ + 2Ag (2)

1. Dựa vào Bảng 15.1, so sánh thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hóa – khử: Zn²⁺/Zn với Cu²⁺/Cu, Cu²⁺/Cu với Ag⁺/Ag.

2. Chỉ ra chất khử mạnh hơn và chất oxi hóa mạnh hơn trong mỗi phản ứng.

3. Dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn, rút ra nhận xét chung về chiều phản ứng giữa các cặp oxi hóa – khử ở trên.

Bài làm chi tiết:

1. -  ECu2+/Cuo=+ 0,340>EZn2+/Zno=- 0,762.

-  ECu2+/Cuo=+ 0,340<EAg+/Ago=+ 0,799.

2. - Ở phản ứng (1) tính khử của Zn mạnh hơn Cu, tính oxi hóa của Zn²⁺ yếu hơn Cu²⁺.

- Ở phản ứng (2) tính khử của Cu mạnh hơn Ag, tính oxi hóa của Cu²⁺ yếu hơn Ag⁺.

3. Chiều phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử có thể dự đoán được từ việc sao sánh giá trị thế điện cực chuẩn: chất khử của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực nhỏ hơn tác dụng với chất oxi hóa của cặp oxi hóa – khử có thế cực điện lớn hơn, tạo ra dạng oxi hóa và dạng khử tương ứng.

Câu hỏi 4: Ở điều kiện chuẩn, kim loại M có thể tác dụng với dung dịch acid (H⁺), với nước khi giá trị thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử kim loại Mⁿ⁺/ M thỏa mãn điều kiện nào?

Bài làm chi tiết:

Ở điều kiện chuẩn, kim loại M có thể tác dụng với dung dịch acid (H⁺) với điều kiện giá trị thế điện cực chuẩn của cặp Mⁿ⁺/ M bé hơn H⁺/H.

Câu hỏi 5: Dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn ở Bảng 15.1, hãy viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra giữa các cặp oxi hóa – khử sau:

a) Ni²⁺/Ni và 2H⁺/H₂.

b) Fe²⁺/Fe và Cu²⁺/Cu.

c) Zn²⁺/Zn và Au³⁺/Au.

Bài làm chi tiết:

a) Ni + H⁺ ⟶ Ni²⁺ + H₂.

b) Fe + Cu²⁺ ⟶ Fe²⁺ + Cu.

c) Zn + Au³⁺ ⟶ Zn²⁺ + Au.

III. PIN ĐIỆN HÓA

Hoạt động: Phản ứng oxi hóa – khử luôn kèm theo sự chuyển electron từ chất khử sang chất ion hóa. Nếu các quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hóa qua dây dẫn thì năng lượng của phản ứng hóa học sẽ chuyển thành năng lượng điện.

Xét phản ứng oxi hóa – khử:

Phản ứng hóa học trên xảy ra trong hai thí nghiệm sau:

Thí nghiệm 1: Cho Zn tiếp xúc trực tiếp với ion Cu²⁺ bằng cách nhúng thanh Zn vào dung dịch CuSO₄ (Hình 15.6), thấy xuất hiện kim loại đồng màu đỏ bám trên bề mặt thanh kẽm.

Thí nghiệm 2: Lắp hệ điện hóa gồm hai điện cực Zn²⁺/Zn và Cu²⁺/Cu như Hình 15.7, thấy bóng đèn sáng.

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Viết quá trình oxi hóa, quá trình khử trong mỗi thí nghiệm. 

2. Trong thí nghiệm nào thì quá trình oxi hóa và quá trình khử cùng xảy ra trên bề mặt của một thanh kim loại?

3. Tại sao trong thí nghiệm 2 bóng đèn lại sáng?

Bài làm chi tiết:

1. 

- Thí nghiệm 1:

+ Quá trình khử: Zn ⟶ Zn²⁺ + 2e.

+ Quá trình oxi hóa: Cu²⁺ + 2e ⟶ Cu.

- Thí nghiệm 2:

+ Quá trình khử: Zn ⟶ Zn²⁺ + 2e.

+ Quá trình oxi hóa: Cu²⁺ + 2e ⟶ Cu.

2. Trong cả hai thí nghiệm thì quá trình oxi hóa và quá trình khử cùng xảy ra trên bề mặt của một thanh kim loại?

3. Trong thí nghiệm 2 bóng đèn sáng do có dòng điện chạy qua. 

Câu hỏi 6: Một pin Galvani được thiết lập ở điều kiện chuẩn theo sơ đồ Hình 15.10. Dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn ở Bảng 15.1:

a) Xác định anode, cathode và viết các quá trình xảy ra ở anode, cathode. Viết phương trình hóa học của phản ứng xảy ra trong pin.

b) Tính sức điện động chuẩn của pin và so sánh với giá trị hiển thị trên vôn kế.

c) Xác định chiều của dòng electron chạy qua dây dẫn.

Bài làm chi tiết:

a) 

- Anode: Cu

- Cathode: Ag

- Quá trình ở anode: Cu ⟶ Cu²⁺ + 2e 

- Quá trình ở cathode: Ag⁺ + 1e ⟶ Ag

- PTHH phản ứng xảy ra trong pin: Cu + Ag⁺ ⟶ Cu²⁺ + Ag

b) Ta có: ECu2+/Cuo=+ 0,340, EAg+/Ago=+ 0,799.

Sức điện động chuẩn của pin là: 

Epino=EAg+/Ago-ECu2+/Cuo=0,799-0,340=0,459 V.

Sức điện động chuẩn của pin tính được bằng với giá trị hiển thị trên vôn kế.

c) Chiều của dòng electron chạy qua dây dẫn là từ anode về cathode.

IV. MỘT SỐ LOẠI PIN KHÁC

Câu hỏi 7: Phân loại các loại pin sử dụng trong gia đình và đề xuất cách thu gom, xử lí khi hết hạn sử dụng để bảo vệ môi trường.

Bài làm chi tiết:

- Phân loại các pin được sử dụng trong gia đình:

+ Acquy là nguồn điện được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông, thiết bị lưu điện, phát điện. Acquy thuộc loại pin thứ cấp (pin sạc), các chất phản ứng được tái tạo trong quá trình sạc bằng dòng điện một chiều.

+ Pin nhiên liệu là loại pin điện hoá chuyển đổi hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng oxi hoá – khử giữa nhiên liệu và chất oxi hoá. Trong đó, các nhiên liệu thường là methane, methanol, ethanol, hydrogen,… còn chất oxi hoá thường là oxygen. Pin nhiên liệu hydrogen – oxygen có nhiều ứng dụng và triển vọng tương lai.

+ Pin Mặt Trời (solar cell) gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn được ghép với nhau, có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng.

- Cách thu gom, xử lí khi hết hạn sử dụng để bảo vệ môi trường:

+ Bảo quản, phân loại pin đã qua sử dụng trước khi đến điểm thu gom.

+ Kéo dài tuổi thọ của pin.