Luyện tập Thế điện cực và nguồn điện hóa học CTST

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.

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

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

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

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

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

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

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. 

Cặp oxi hóa - khử của kim loại là dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại.

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

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

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.

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.

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.

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.

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

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.