Lý thuyết Dãy điện hóa của kim loại hay, chi tiết nhất

I. Khái niệm về cặp oxi hóa – khử của kim loại

1. Cặp oxi hoá – khử của kim loại

    - Dạng oxi hoá và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi hoá – khử của kim loại.

    Ví dụ: Cặp oxi hoá – khử Ag⁺/Ag; Cu²⁺/Cu; Fe²⁺/Fe

2. So sánh tính chất của các cặp oxi hoá – khử

    Ví dụ: So sánh tính chất của hai cặp oxi hoá – khử Cu²⁺/Cu và Ag⁺/Ag.

Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag

    Kết luận: Tính khử: Cu > Ag

    Tính oxi hoá: Ag⁺ > Cu²⁺

II. Pin điện hóa

    a. Cấu tạo

    Là 1 thiết bị gồm: 2 lá kim loại, mỗi lá được nhúng vào 1 dd muối có chứa cation của kim loại đó; 2 dd này được nối với nhau bằng 1 cầu muối (dd điện li trơ: NH₄NO₃, KNO₃)

    - Suất điện động của pin điện hoá (VD: Zn - Cu)

E_pin = 1,10V

    b. Giải thích

    - Điện cực Zn (cực âm) là nguồn cung cấp e, Zn bị oxi hoá thành Zn²⁺ tan vào dung dịch:

Zn → Zn²⁺ + 2e

    - Điện cực Cu (cực dương) các e đến cực Cu, ở đây các ion Cu²⁺ bị khử thành kim loại Cu bám trên bề mặt lá đồng.

Cu²⁺ + 2e → Cu

    - Vai trò của cầu muối: Trung hòa điện tích của 2 dung dịch

       + Cation NH₄⁺ (hoặc K⁺) và Zn²⁺ di chuyển sang cốc đựng dung dịch CuSO₄

       + Ngược lại: các anion NO₃^- và SO₄^2- di chuyển sang cốc đựng dung dịch ZnSO₄.

    Sự di chuyển của các ion này làm cho các dung dịch muối luôn trung hoà điện.

    - Phương trình ion rút gọn biểu diễn quá trình oxi hoá-khử xảy ra trên bề mặt các điện cực của pin điện hoá:

    c. Nhận xét

    - Có sự biến đổi nồng độ các ion Cu²⁺ và Zn²⁺ trong quá trình hoạt động của pin. Cu²⁺ giảm, Zn²⁺ tăng

    - Năng lượng của phản ứng oxi hóa – khử trong pin điện hóa đã sinh ra dòng điện một chiều.

    - Những yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động của pin điện hóa như:

       + Nhiệt độ.

       + Nồng độ của ion kim loại.

       + Bản chất của kim loại làm điện cực.

    - Trong pin điện hóa:

       + Cực âm (anot): xảy ra quá trình oxi hóa

       + Cực dương (catot): xảy ra quá trình khử

III. Thế điện cực chuẩn của kim loại

1. Điện cực hiđro chuẩn

    Trên bề mặt điện cực hiđro xảy ra cân bằng oxi hóa – khử của cặp oxi hóa – khử 2H⁺/H₂

    Quy ước rằng: thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn bằng 0,00 V ở mọi nhiệt độ, tức là:

2. Thế điện cực chuẩn của kim loại

    Thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại cần đoc được chấp nhận bằng bằng suất điện động của pin tạo bởi điện cực hiđro chuẩn và điện cực chuẩn của kim loại cần đo. Có 2 trường hợp xảy ra với giá trị của thế điện cực chuẩn:

    - Thế điện cực chuẩn của cặp Mⁿ⁺/M là số dương nếu khả năng oxi hóa của ion Mⁿ⁺ trong nửa pin Mⁿ⁺/M là mạnh hơn ion H⁺ trong nửa pin 2H⁺/H₂

    - Thế điện cực chuẩn của cặp Mⁿ⁺/M là số âm nếu khả năng oxi hóa của ion Mⁿ⁺ trong nửa pin Mⁿ⁺/M là yếu hơn ion H⁺ trong nửa pin 2H⁺/H₂

    Ví dụ: Thế điện cực chuẩn của các cặp kim loại:

IV. Dãy thế điện cực chuẩn

    Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại còn được gọi là dãy thế oxi hóa – khử chuẩn của kim loại, hoặc dãy thế khử chuẩn của kim loại.

V. Ý nghĩa của dãy thế điện cực chuẩn của kim loại

1. So sánh tính oxi hóa – khử

    Trong dung môi nước, thế điện cực chuẩn của kim loại  càng lớn thì tính oxi hóa của cation Mⁿ⁺ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại

2. Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử

    Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử cũng là sự tìm hiểu về phản ứng đó trong điều kiện tự nhiên có xảy ra hay không.

3. Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hóa

    Suất điện động chuẩn của pin điện hóa (E⁰_pin) bằng thế điện cực chuẩn của cực dương trừ đi thế điện cực chuẩn của cực âm. Suất điện động của pin điện hóa luôn là số dương.

4. Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử

    Ta có thể xác định được thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử khi biết suất điện động chuẩn của pin điện hóa (E⁰_pin) và thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử còn lại.

E⁰₍₊₎ = E⁰_pin + E⁰_(-); E⁰_(-) = E⁰₍₊₎ – E⁰_pin