Bài giảng Hóa đại cương - Chương XI: Điện hóa học - Nguyễn Minh Kha
PHẢN ỨNG OXY HÓA – KHỬ VÀ DÒNG ĐIỆN
Phản ứng oxy hóa – khử (O – K)
Phản ứng trong đó có sự trao đổi electron
giữa các nguyên tử của những nguyên tố
tham gia phản ứng làm thay đổi số oxy hóa
các nguyên tố. Quá trình cho electron gọi là quá trình oxy hóa,
chất cho electron gọi là chất khử (chất bị oxy hóa).
Ví dụ:
Zn – 2e Zn+2
Quá trình nhận electron gọi là quá trình khử, chất
nhận electron gọi là chất oxy hóa.
Ví dụ:
Cu+2 + 2e Cu
g. Ở điều kiện đặc biệt phản ứng O – K xảy ra gián tiếp ở hai nơi khác nhau thì hóa năng sẽ biến thành điện năng (qua dây dẫn). e- Chất khử e- e- Chất oxh Anode Cathode Màng ngăn NGUYÊN TỐ GALVANIC VÀ ĐIỆN CỰC Nguyên tố galvanic (1780): Là thiết bị chuyển hóa năng sang điện năng. Cấu tạo gồm hai thanh kim loại, nhúng trong dung dịch muối của nó, nối với nhau qua sợi dây dẫn kim loại. Hai thanh kim loại này một thanh có tính khử mạnh hơn (để cho e) một thanh có tính khử yếu hơn (để ion của nó nhận e). Luigi Galvani (Italia) Cathode (+), xảy ra quá trình khử Anode (-) , xảy ra quá trình oxy hóa Ở điện cực kẽm: Zn – 2e Zn+2 gọi là âm cực (Cathode) Điện cực đồng: Cu +2 + 2e Cu gọi là dương cực (Anode) Tức là ở âm cực xảy ra quá trình Oxy hóa, Zn là chất Kh. Ở dương cực xảy ra quá trình khử, Cu là chất Ox. Phương trình của galvanic: Zn + Cu +2 = Zn +2 + Cu Người ta ký hiệu nguyên tố ganvanic: Hay Tổng quát: CuCuSOZnSOZn 44 CuCuZnZn 22 IIIIII MddMddMM a. Điện cực kim loại. d. Điện cực oxy hĩa - khử. b. Điện cực kim loại phủ muối c. Điện cực khí AgAgCl Cl-(dd) Pt H2 H + (dd) Pt Fe2+(dd), Fe3+dd) Zn Zn2+(dd) CÁC LOẠI ĐIỆN CỰC Zn2+(dd) +2e ⇌ Zn AgCl +1e ⇌ Ag + Cl-(dd) 2H+(dd) +2e ⇌ H2 Fe3+(dd) +1e ⇌ Fe2+(dd) THẾ ĐIỆN CỰC Thế điện cực (V), hay còn gọi là thế Oxy hóa – Khử, hay là bán thế phản ứng, là một đại lượng không thể đo trực tiếp, mà phải so sánh với một điện cực chuẩn. Người ta chọn Hydro làm điện cực chuẩn: 2H + (dd) + 2e H 2 (k), điện cực là platinum. Quy ước: 0 H2 = 0 (V). (Thế điện cực tuyệt đối của nó ước chừng 4.4 – 4.6 V) Vậy thế điện cực là một đại lượng bằng thế hiệu của nó so với điện cực hydro tiêu chuẩn. Phương trình Nernst: Kh –ne Ox, Với a là hoạt độ. Hoạt độ của các kim loại tinh khiết (và cả lỏng tinh khiết) coi như bằng 1. Với dung dịch thật (sử dụng C) ở nhiệt độ 298K, ta có (R=8.31, T=298,F=96500): Kh Ox a a nF RT ln0 ][ ][ lg 059.00 0 Kh Ox n phụ thuộc vào bản chất chất tham gia quá trình điện cực (0, n) nhiệt độ T, nồng độ chất tham gia quá trình điện cực C. Ta có: G = -nF, hayG0 = -nF0 Sau đây là bảng thế điện cực tiêu chuẩn của một số bán phản ứng (Thế Ox-Kh). Bán phản ứng 1bar, 298K, C i = 1M 0 (V) Li+(aq) + e− → Li(s) −3.05 K+(aq) + e− → K(s) −2.93 Ba2+(aq) + 2e− → Ba(s) −2.91 Ca2+(aq) + 2e− → Ca(s) −2.76 Na+(aq) + e− → Na(s) −2.71 Mg2+(aq) + 2e− → Mg(s) −2.38 Be2+(aq) + 2e− → Be(s) −1.85 Al3+(aq) + 3e− → Al(s) −1.68 Ti3+(aq) + 3e− → Ti(s) −1.21 Mn2+(aq) + 2e− → Mn(s) −1.18 Sn(s) + 4H+ + 4e− → SnH4(g) −1.07 2 H2O(l)+2e –→H2(g)+2OH –(aq) −0.83 Zn2+(aq) + 2e− → Zn(s) −0.76 Cr3+(aq) + 3e− → Cr(s) −0.74 Fe2+(aq) + 2e− → Fe(s) −0.44 Cr3+(aq) + e− → Cr2+(aq) −0.42 Sn2+(aq) + 2e− → Sn(s) −0.13 2H+(aq) + 2e− → H2(g) 0.00 Sn4+(aq) + 2e− → Sn2+(aq) +0.15 Cu2+(aq) + e− → Cu+(aq) +0.16 SO4 2−(aq) + 4H+ + 2e− → 2H2O(l) + SO2(aq) +0.17 Cu2+(aq) + 2e− → Cu(s) +0.34 O2(g)+2H2O(l)+4e – → 4OH–(aq) +0.40 SO2(aq)+4H ++4e−→S(s)+ 2H2O +0.50 Cu+(aq) + e− → Cu(s) +0.52 I2(s) + 2e − → 2I−(aq) +0.54 MnO4 –(aq) + 2H2O(l) + 3e – → MnO2(s) + 4 OH –(aq) +0.59 S2O3 2− + 6H+ + 4e− → 2S(s) + 3H2O +0.60 O2(g) + 2H + + 2e− → H2O2(aq) +0.70 Fe3+(aq) + e− → Fe2+(aq) +0.77 Hg2 2+(aq) + 2e− → 2Hg(l) +0.80 Ag+(aq) + e− → Ag(s) +0.80 NO3 –(aq) + 2H+(aq) +e– → NO2(g) + H2O(l) +0.80 Hg2+(aq) + 2e− → Hg(l) +0.85 MnO4 −(aq) + H+ + e− → HMnO4 −(aq) +0.90 2Hg2+(aq) + 2e− → Hg2 2+(aq) +0.91 MnO2(s) + 4H + + e− → Mn3+(aq) + 2H2O +0.95 Br2(aq) + 2e − → 2Br−(aq) +1.09 2IO3 −(aq) + 12H+ + 10e− → I2(s) + 6H2O +1.20 ClO4 −(aq) + 2H+ + 2e− → ClO3 −(aq) + H2O +1.20 O2(g) + 4H + + 4e− → 2H2O +1.23 MnO2(s) + 4H + + 2e− → Mn2+(aq) + 2H2O +1.23 Cl2(g) + 2e − → 2Cl−(aq) +1.36 Cr2O7 2−(aq) + 14H+ + 6e− → 2Cr3+(aq) + 7H2O +1.36 MnO4 −(aq) + 8H+ + 5e− → Mn2+(aq) + 4H2O +1.51 2HClO(aq) + 2H+ + 2e− → Cl2(g) + 2H2O +1.63 MnO4 −(aq) + 4H+ + 3e− → MnO2(s) + 2H2O +1.70 H2O2(aq) + 2H + + 2e− → 2H2O +1.76 SỨC ĐIỆN ĐỘNG CỦA NGUYÊN TỐ GALVANIC Thế hiệu cực đại xuất hiện giữa hai cực của nguyên tố ganvanic gọi là sức điện động của nguyên tố ganvanic, khi mà nguyên tố galvanic hoạt động T – N. Kí hiệu: Sức điện động tiêu chuẩn của nguyên tố galvanic. E 0 đo ở p = 1 atm, C M (hay a) = 1, 298K. E 000E aKh1 + bOXH2 cOXH1 + dKh2 -G = A’ = nFE b 2 a 1 d 2 c 10 OXHKh KhOXH lnRTGG b 2 a 1 d 2 c 1 OXHKh KhOXH lnRTKlnRTnFE b 2 a 1 d 2 c 1 OXHKh KhOXH ln nF RT Kln nF RT E Kln nF RT E0 G0 = -nFE0 ba dc OXHKh KhOXH nF RT EE 21 210 ln cd sp nF RT EE ln0 Ví dụ với phản ứng trong nguyên tố galvanic: Zn + Cu +2 = Zn +2 + Cu Với + là của cặp Cu+2/Cu và - là của cặp Zn +2 /Zn, ta có 2 2 Cu Zn0 Zn/CuZn/Cu C C ln F2 RT EE V...E Zn/Cu 1176303370000 Epin = + - - = Cu - Zn Ví dụ tính hằng số cân bằng 3324 FeCeFeCeXét phản ứng: 34 CeeCe 23 FeeFe o=1.700V o=0.767V Được tạo thành bởi 2 bán phản ứng sau Vì o của cerium lớn hơn nên nó là chất Oxy hoá. Ta có (0.767)- 1.700-E ooo Trong nguyên tố galvanic có: ]][Ce[Fe ]][Ce[Fe ln nF RT ---E 42 33 00 - Tại cân bằng, E = 0 và: 1610K C25 ,Klog 05916. ]][Ce[Fe ]][Ce[Fe ln F RT - o 42 33 oo CHIỀU CỦA QUÁ TRÌNH O – K Xét các cặp O-K: Ox 1 /Kh 1 , Ox 2 /Kh 2 Kh 1 Ox 1 + ne , 1 Kh 2 Ox 2 + ne , 2 Khi trộn các cặp này, sẽ có phản ứng: Kh 1 + Ox 2 Ox 1 + Kh 2 Phản ứng xảy ra theo chiều thuận khi: 121212 0 nFnFEG / Quy tắc xét chiều phản ứng: “Phản ứng O – K xảy ra theo chiều dạng Ox của cặp O – K có lớn hơn sẽ Ox dạng Kh của cặp O – K có nhỏ hơn”. Thực tế có thể dùng 0 để xét. Nhưng khi 0 + - 0 - bé quá thì phải tính toán trên . SỰ ĐIỆN PHÂN ĐIỆN PHÂN DUNG DỊCH CHẤT ĐIỆN LY TRONG NƯỚC Định nghĩa: Sự điện phân là quá trình O – K xảy ra trên bề mặt điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện ly hoặc qua chất điện ly nóng chảy và có làm theo sự biến đổi nhiệt năng thành hóa năng. Ở đây ta xét quá trình điện phân một dung dịch chất điện ly trong nước. Các quá trình Cathode Ở đây dạng Ox chính là các cation kim loại và hydro của dung dịch chất điện ly. Ta cần so sánh thế điện cực của kim loại và hydro. H2 = -0.059pH = -0.059x7 = -0.41 V Tức là ở điều kiện trung tính, H2 = -0.41 V. Nếu kl > H2 kim loại kết tủa: Phần cuối dãy. Nếu kl > H2 H 2 : Phần đầu dãy. Trong môi trường acid: 2H+ + 2e H 2 Trong môi trường trung tính hay base: 2H 2 O + 2e H 2 + 2OH- Nếu kl -0.41 thì tùy vào nồng độ và điều kiện tiến hành (khoảng giữa dãy). Các quá trình anode Dạng khử là anion, gốc axit và OH- của dung dịch, và tùy theo vật liệu, điện cực có thể bị ăn mòn: Có anod trơ (graphit, platin.) và anod tan (Ni..). Anode tan Hoặc anode phóng điện, hoặc hòa tan anode. Nếu kim loại anode có nhỏ hơn cặp O – K thì anode bị hòa tan. M –ne M+n Ngược lại A- hoặc OH- bị oxy hóa. Anode trơ Khả năng cho electron theo thứ tự: Anion không chứa Oxy: I-, Br-, Cl-, S-2 Kế đến là OH-. 4OH - – 4e O 2 + 2H 2 O (môi trường kiềm). 2H 2 O – 4e O 2 + 4H + (môi trường acid hay trung tính). Anion chứa Oxy: SO 4 -2 , MnO 4 - , SO 3 -2 Một số ví dụ Điện phân CuCl 2 , anode trơ Cathode Anode 41033702 .. Cu/Cu CueCu 22 222 CleCl Điện phân dung dịch K 2 SO 4 với anod trơ H+ bị khử. Cathode: Anode: SO 4 - không bị Ox, nước (OH - ) bị Ox. Hay nói khác đi đây là quá trình điện phân nước. 41.0924.2 / KK 22 2444 HOHeOH KOHOHK 22 442 OHeOH 42242 SOHSOH Điện phân dung dịch nước NiSO 4 với anod Ni tan Nhưng NiSO 4 tồn tại trong môi trường acid, nên: Do đó, ở cathode Và anode 41.025.0 /2 NiNi 2281442 22 .,eHOOH NieNi 22 424222 NiSOSONiNieNi Thế phân giải và quá thế Thế phân giải là thế hiệu tối thiểu cần thiết để tiến hành quá trình điện phân đã cho. Ký hiệu: E p Nói chung với những hệ T – N thì E p bằng sức điện động của nguyên tố galvanic tạo thành từ sản phẩm điện phân. Hiệu số giữa thế phân giải và sức điện động của nguyên tố galvanic tương ứng phản ứng nghịch gọi là quá thế điện phân: 0 = E p - E. Định luật Faraday Lượng chất được tạo thành hay hòa tan ở điện cực khi điện phân tỉ lệ thuận với lượng điện đi qua chất điện ly. Những lượng điện bằng nhau sẽ tạo thành hay hòa tan ở điện cực khi điện phân những đương lượng như nhau của các chất. Michael Faraday Công thức cho định luật m = (AIt)/(nF) hay m = (Đ A q)/F F: Hằng số Faraday bằng 96500 (coulomb) m: khối lượng chất điện phân ra. Đ A : Đương lượng gam của A. A: Nguyên tử gam của A. n: Hóa trị chất biến đổi. I: Cường độ dòng điện (Ampe) t: Thời gian điện phân (sec)
File đính kèm:
- bai_giang_hoa_dai_cuong_chuong_xi_dien_hoa_hoc_nguyen_minh_k.pdf