Luyện tập Thế điện cực và nguồn điện hóa học CTST

Ta có: E^o_pin = E^o_cathode – E^o_anode = E^o_Ag⁺/Ag – E^o_M²⁺/M = 0,799 – E^o_M²⁺/M

Để pin điện hoá có sức điện động chuẩn lớn nhất thì thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá – khử M²⁺/M phải nhỏ nhất. Dựa vào bảng thấy M là kim loại Fe là phù hợp. 

Trong pin điện hoá, quá trình khử xảy ra ở cathode (điện cực dương).

Phản ứng oxi hoá – khử xảy ra trong pin:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Vậy, khi pin Galvani Zn-Cu hoạt động thì nồng độ Cu²⁺ giảm, Zn²⁺ tăng.

Khi nạp điện cho acquy dòng điện đi vào cực dương và đi ra cực âm.

Ta có:

E^o_Pb−Cu = E^o_Cu²⁺/Cu − E^o_Pb²⁺/Pb = 0,34 − (−0,13) = 0,47 V

E^o_Zn−Pb = E^o_Pb²⁺/Pb − E^o_Zn²⁺/Zn = 0,13 − (−0,76) = 1,89 V

E^o_Zn−Cu = E^o_Cu²⁺/Cu − E^o_Zn²⁺/Zn = 0,34 − (−0,76) = 1,1 V

E^o_Mg−Zn = E^o_Zn²⁺/Zn − E^o_Mg²⁺/Mg = − 0,76 − (−2,37) = 1,61 V

Phản ứng xảy ra là: X + Z²⁺ → X²⁺ + Z.

Chiều xảy ra phản ứng là chiều: Chất oxi hóa mạnh tác dụng với chất khử mạnh tạo ra chất oxi hóa yếu và chất khử yếu.

Thế điện cực chuẩn (E^o_Mⁿ⁺/M) càng lớn thì tính oxi hóa của cation kim loại Mⁿ⁺ càng mạnh, tính khử của kim loại càng yếu và ngược lại.

Vậy thế điện cực cặp oxi hoá – khử Ag⁺/Ag có giá trị nhỏ nhất nên Ag có tính khử yếu nhất.

Để duy trì được dòng điện trong quá trình hoạt động của pin điện hóa, người ta dùng cầu muối. Vai trò của cầu muối là trung hòa điện tích của 2 dung dịch: các ion dương di chuyển qua cầu muối đến cốc đựng dung dịch CuSO₄. Ngược lại, các ion âm di chuyển qua cầu muối đến dung dịch ZnSO₄.

Nhược điểm của pin nhiên liệu là công nghệ chưa được phổ biến và giá thành cao.

Thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hóa – khử:

Sn²⁺/Sn: –0,14 V.

2H⁺/H₂: 0,0 V

Pt²⁺/Pt: +1,19 V

Fe³⁺/Fe²⁺: 0,77 V

Thế điện cực chuẩn (E^o_Mⁿ⁺/M) càng lớn thì tính oxi hóa của cation kim loại Mⁿ⁺ càng mạnh, tính khử của kim loại càng yếu và ngược lại.

→ Dãy các kim loại được xếp theo chiều giảm dần tính khử là: K, Zn, Cu.

Pin mặt trời (pin quang điện) bao gồm nhiều tế bào quang điện làm biến đổi năng lượng ánh sáng (quang năng) thành năng lượng điện.

E^o_pin(Zn-Cu) = E^o_Cu²⁺/Cu – E^o_Zn²⁺/Zn

⇒ E^o_Zn²⁺/Zn = E^o_Cu²⁺/Cu – E^o_pin = +0,34 – 1,1 = –0,76 V

Dựa vào bảng giá trị thế điện cực chuẩn của một số cặp oxi hóa khử ta thấy:

E^o_Pb²⁺/Pb > E^o_Fe²⁺/Fe; E^o_Zn²⁺/Zn; E^o_Ni²⁺/Ni

→ Tính khử của Pb yếu hơn Fe, Zn và Ni.

Vậy các kim loại Fe, Zn và Ni phản ứng được với dung dịch Pb(NO₃)₂.

Ta có E^o_pin(Fe–Cu) = E^o_Cu²⁺/Cu – E^o_Fe²⁺/Fe = 0,34 – (–0,44) = 0,78 V

Phản ứng oxi hoá – khử diễn ra trong pin:

Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu

Trong pin điện hoá, cực âm là anode, xảy ra quá trình nhường electron.

Vậy, quá trình xảy ra ở cực âm khi pin hoạt động là: Fe → Fe²⁺ + 2e.

Kim loại có tính khử mạnh hơn sẽ ưu tiên nằm trong muối dưới dạng cation. Kim loại thoát ra ngoài gồm Ag, Cu, có thể có Fe dư.

→ Ba muối gồm Mg(NO₃)₂, Al(NO₃)₃ và Fe(NO₃)₂.

Mg + 2AgNO₃ → Mg(NO₃)₂ + Ag

Al + 3AgNO₃ → 3Ag + Al(NO₃)₃

Fe + Cu(NO₃)₂ → Cu + Fe(NO₃)₂

Ta có: E^o_Fe²⁺/Fe < E^o_2H⁺/H2 < E^o_Cu²⁺/Cu

→ Chỉ có Fe tham gia phản ứng với HCl.

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Theo phương trình hóa học: n_Fe = n_H2

⇒ n_Fe = 0,15 mol.

⇒ m_Cu = 10 – 0,15.56 = 1,6 gam.

E^o_{pin (Cu-Ag)} = E^o_Ag⁺/Ag – E^o_Cu²⁺/Cu = +0,8 – E^o_Cu²⁺/Cu = 0,46 V

⇒ E^o_Cu²⁺/Cu = 0,8 – 0,46 = 0,34 V

 E^o_{pin (Zn-Cu)} = E^o_Cu²⁺/Cu – E^o_Zn²⁺/Zn = 1,1 V

⇒ E^o_Zn²⁺/Zn = 0,34 – 1,1 = –0,76 V