CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

NỘI DUNG
1. Phản ứng oxi hóa – khử
2. Nguyên tố gavalnic và điện cực
3. Sự điện phân
TÀI LIỆU
[1] – Chương 16:
trang 456 – 492
[2] – Chapter 19:
page 636 – 679
Chương 6



1


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

1. Phản ứng oxi hóa khử

1.1. Khái niệm
Là phản ứng có sự thay đổi số oxi hóa của các
nguyên tố (có sự trao đổi e).
Phản ứng oxi – khử gồm 2 quá trình:

Chất khử 1

- e-

Chất oxh 1

 QT OXH

Chất oxh 2

+ e-

Chất khử 2

 QT Khử

Chất khử 1 + Chất oxh 2  Chất oxh 1 + Chất khử 2
Chương 6



2


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

Ví dụ:

Zn + CuSO4  ZnSO4 + Cu

Zn0 – 2e  Zn2+ : Quá trình oxh
Cu2+ + 2e  Cu0 : Q trình khử

Trong đó: Zn và Cu – dạng khử; Zn2+ và Cu2+ – dạng

oxi hóa
Phương trình ion: Zn0 + Cu2+  Zn2+ + Cu0

⇒ Phản ứng oxi hóa khử trên được tạo thành từ 2 cặp
oxi hóa – khử: Zn2+/Zn và Cu2+/Cu.
Mỗi cặp oxi hóa – khử có 1 thế điện cực đặc trưng.
Chương 6



3


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

1.2. Cân bằng phản ứng oxi hóa khử

a. Phản ứng khơng có mơi trường tham gia
2Al + 3CuSO4  Al2(SO4)3 + 3Cu

b. Phản ứng có mơi trường tham gia
2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4  2MnSO4 + 5KNO3 +
K2SO4 + 3H2O
KClO3 + 2CrCl3 + 10KOH  7KCl + 2K2CrO4 + 5H2O
2KMnO4 + 3KNO2 + H2O  2MnO2 + 3KNO3 + 2KOH
Chương 6



4



CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

Bài tập

Cho các phản ứng oxh – khử sau, viết các quá trình
oxh và khử xảy ra trong phản ứng. Cho biết cặp
oxh/khử tương ứng của phản ứng và cân bằng pư.
Al + CuSO4  Cu + Al2(SO4)3
KMnO4 + KNO2 + H2SO4  MnSO4 + KNO3 + H2O

HNO2 + Br2 + H2O  HNO3 + HBr
FeCl3 + KI  FeCl2 + I2 + KCl

Mn + Cl2 + 2NaOH  Mn(OH)2 + 2NaCl
Chương 6



5


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

1.3. Phản ứng oxi hóa khử và dòng điện

a. Phản ứng oxh – khử xảy ra trong dung dịch
Zn +


Cu2+

 Cu +

Zn2+

H

o
298

 51,82 Kcal / mol

Hóa năng  nhiệt năng
(e trao đổi trực tiếp)

Chương 6



6


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

b. Khơng cho chất oxh và khử tiếp xúc trực tiếp

Zn + Cu2+  Cu + Zn2+

Hóa năng  điện năng


Zn – 2e  Zn2+
Chương 6

Cu2+ + 2e  Cu


7


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

2. Nguyên tố galvanic (pin Volta) và điện cực
2.1. Cấu tạo và hoạt động của nguyên tố galvanic
• Cấu tạo của nguyên tố galvanic gồm hai điện cực
được nối với nhau bằng sợi dây dẫn kim loại
(mạch ngoài) và cầu muối kết nối hai điện cực với
nhau (mạch trong).
• Điện cực đơn giản gồm 1 thanh kim loại nhúng
vào dung dịch chất điện ly của nó.
• Cầu muối là bộ phận chứa dung dịch chất điện ly.
Chất điện ly thường sử dụng là dung dịch KCl;
KNO3; NH4Cl hoặc NH4NO3.
Chương 6



8



CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

• Hoạt động:

⇒ Có thể tạo ra pin điện hóa từ một phản ứng oxh - khử.
Chương 6



9


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

• Ký hiệu pin điện hóa:
(-) Điện cực kim
loại hoặc điện
cực trơ

Dung dịch của
ion kim loại hoặc
cặp oxh khử

Dung dịch của
ion kim loại hoặc
cặp oxh khử

Điện cực kim loại
hoặc điện cực trơ
(+)


Trong đó:
 Anot (-): điện cực xảy ra q trình oxi hóa.
 Catot (+): điện cực xảy ra quá trình khử.
 ǀ: bề mặt phân chia pha.
 ||: ranh giới giữa 2 bán pin, thường là cầu muối.
 Khi tích hợp nồng độ, áp suất hay hoạt độ thì
biểu diễn trong ngoặc đơn.
Chương 6



10


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

Ví dụ: Cấu tạo của pin đồng – kẽm với nồng độ các
dung dịch 1,00 M được ký hiệu:
(-) Zn | ZnSO4 (1,00 M) || CuSO4 (1,00 M) | Cu (+)
Hay (-) Zn | Zn2+ (1,00 M) || Cu2+ (1,00 M) | Cu (+)

Bài tập:
Bài 1: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxh – khử: Pb2+/Pb và
Ag+/Ag.
Biết o(Pb2+/Pb) = - 0,126 V; o(Ag+/Ag) = +0,799 V.
Bài 2: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxh – khử:
2H+(1 M)/H2(1 atm) và Fe3+(0,5 M)/Fe2+(1 M).
Biết o(2H+/H2) = 0,000 V; o(Fe3+/Fe2+) = +0,771 V.
Chương 6




11


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

2.2. Sức điện động của nguyên tố galvanic

Sức điện động (E) của nguyên tố galvanic là hiệu
điện thế cực đại của nguyên tố khi phản ứng oxi hóa
khử xảy ra thuận nghịch.
Xét phản ứng oxi hóa khử tổng quát:
aA + bB ⇌ cC + dD

Sức điện động được xác đinh theo phương trình:
c
d
RT
[C]
[D]
E = Eo ln
nF [A]a [B]b

E = (+)  () ; Eo = o(+)  o()
Chương 6




12


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

Mối liên hệ giữa sức điện động (E) của nguyên tố
galvanic với biến thiên thế đẳng áp (G) và hằng số
cân bằng (K) của phản ứng oxi hóa khử.
G = –nFE và Go = –nFEo
Với
n – số e trao đổi trong phản ứng;
F – hằng số Faraday (96485 C/mol).
Go = –RTlnKC
Với

Chương 6

R – Hằng số khí (8,314 J/mol.độ)
𝐧𝐅𝐄𝐨
𝐥𝐧𝑲𝐂 =
𝐑𝐓


13


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

2.3. Thế điện cực và phương trình Nernst


Thế điện cực là đại lượng thế hiệu đặc trưng cho quá
trình điện cực hay điện cực, ký hiệu là .
Đối với quá trình điện cực tổng quát:
Ox + ne ⇌ Kh
[Ox]
0 RT
Phương trình Nernst:    
ln
nF [Kh]
n – Số e trao đổi trong quá trình điện cực
[Ox], [Kh] – Tích nồng độ các chất tham gia dạng
oxi hóa và dạng khử với số mũ tương ứng
Chương 6



14


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

F – Hằng số Faraday (96485 C/mol)

R – Hằng số khí (8,314 J/mol.độ)
T – Nhiệt độ tuyệt đối (K)

o – Thế điện cực tiêu chuẩn (V, tra trong sổ tay)
 phụ thuộc vào bản chất chất tham gia quá trình
điện cực (o), nhiệt độ (T) và nồng độ các chất tham
gia quá trình điện cực ([ ]).

0, 0592
[Ox]
o
o
log
Ở 25 C (298 K):  =  +
n
[Kh]
Chương 6



15


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

Áp dụng phương trình Nernst vào một số quá trình
điện cực:
+ 2
0,
0592
[H
]
o
+
2H / H = 2H / H +
log
2H + 2e ⇌ H2





2

2

2

PH2

CrO42- + 4H2O + 3e ⇌ Cr(OH)3 + 5OHCrO

2
4 / Cr(OH)3

o
= CrO
2
/ Cr(OH)
4

3

[CrO 24 ]
0, 0592
+
log
3
[OH  ]5


ClO4- + 2H+ + 2e ⇌ ClO3- + H2O
ClO
Chương 6

4 / ClO3

=

o
ClO-4 / ClO3-

[ClO ]  [H ]
0, 0592
+
log
2
[ClO3- ]



4

 2

16


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC


Xác định thế điện cực tiêu chuẩn (o)

Eo = o2H+/H2 - oZn2+/Zn

0,76 = 0
Chương 6

- oZn2+/Zn ⇒ oZn2+/Zn = - 0,76 V


17


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

Data from CRC
Handbook of
Chemistry and
Physics, 97th edition,
2016 (page 5-78  585).

Chương 6



18


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC


2.4. Chiều xảy ra của phản ứng oxi hóa khử

Phản ứng oxi hóa khử xảy ra theo chiều dạng oxi hóa
của cặp oxi hóa khử có  lớn hơn sẽ oxi hóa dạng khử
của cặp oxi hóa khử có  nhỏ hơn.
 Oxi hóa 1: Tính oxi hóa 
oxi hóa 1/khử 1 LỚN  Khử 1: Tính khử 

oxi hóa 2/khử 2 NHỎ  Oxi hóa 2: Tính oxi hóa 
 Khử 1: Tính khử 

Hiệu số 1 - 2 càng lớn  phản ứng oxi hóa khử xảy ra
càng mạnh và càng sâu.
Chương 6



19


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

Quy tắc :

• Sắp xếp 2 cặp oxi hóa khử theo chiều  tăng dần.
• Viết chữ  giữa 2 cặp oxi hóa khử.

• Chiều viết chữ  chính là chiều phản ứng.
Ví dụ: Xác định pin tạo thành từ 2 cặp oxi hóa khử
I2/2I- và Fe3+/Fe2+ và viết phản ứng xảy ra trong pin.

Biết o(I2 /I-) = +0,536V ; o(Fe3+/Fe2+ )= +0,771V
(-) Pt | I2 , I- || Fe3+ , Fe2+ | Pt (+)



I2
2IChương 6

Fe3+
Fe2+

Phản ứng xảy ra trong pin:

Fe3+ + 2I-  I2 + Fe2+


20


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

Bài tập
1. Tính sức điện động, cho biết q trình điện cực, phản ứng
oxi hóa khử xảy ra trong pin (-) Mg|Mg2+ || Zn2+|Zn (+):
a. Ở điều kiện tiêu chuẩn
b. Khi [Mg2+] = 0,1 M; [Zn2+] = 0,01 M
2. Xác định cực âm, cực dương, viết ký hiệu pin, phương
trình phản ứng xảy ra trong pin và tính sức điện động của
pin ở điều kiện tiêu chuẩn của các pin sau:
a. Mg – Al;

b. Pb – Cd;
c. Sn – H2;
d. Sn4+,Sn2+ – Cr3+,Cr2+
3. Tính sức điện động, cho biết quá trình điện cực xảy ra
trong pin: Cu|Cu2+ (0,1 M) || Cu2+(1 M) |Cu
Chương 6



21


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HĨA HỌC

4. Có thể oxi hóa axit HNO2 thành HNO3 bằng Br2 và
I2 được không? Thành lập và cân bằng phương
trình phản ứng oxi hóa khử xảy ra.
5. Ở điều kiện tiêu chuẩn, phản ứng 5Fe3+ + Mn2+ +
12H2O ⇌ 5Fe2+ + MnO4- + 8H2O xảy ra theo chiều
nào?
6. Xác định chiều phản ứng oxi hóa khử: Hg22+ +
2Fe2+ ⇌ 2Hg + 2Fe3+ trong 2 trường hợp:
a. [Hg22+] = [Fe2+] = 10-1 M; [Fe3+] = 10-4 M

b. [Hg22+] = [Fe2+] = 10-4 M; [Fe3+] = 10-1 M
Chương 6



22



CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

2.5. Giản đồ thế điện cực và sự dị li

- Xác định được ion hay phân tử khơng
bền: Ion hay phân tử có thế khử trước
nó bé hơn thế khử sau nó  khơng bền.
- Tính thế khử của cặp chưa biết thế khử.
Ví dụ: Tính thế của các cặp:

MnO4-/MnO2
Chương 6

;

MnO2/Mn2+


23


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

Bài tập
1. Giản đồ thế của nitơ ở pH 0 cho thấy các giá trị thế điện
cực tiêu chuẩn (o) sau đây:
[NO3]-  HNO2 , o = 0,93 V
HNO2  NO , o = 0,98 V

Giá trị o của quá trình khử [NO3]- thành NO là bao
nhiêu?
2. Giản đồ thế của brom ở pH 14 cho thấy các giá trị thế
điện cực tiêu chuẩn (o) sau đây:
[BrO3]- → Br- , o = +0,61 V
[BrO]- → Br- , o = +0,76 V
Giá trị o của quá trình khử [BrO3]- thành [BrO]- là bao
nhiêu?
Chương 6



24


CHƯƠNG 6: ĐIỆN HÓA HỌC

3. Sự điện phân

Sự điện phân là quá
trình oxh – khử xảy ra
trên bề mặt điện cực khi
cho dòng điện một chiều
đi qua dung dịch chất điện
ly hoặc qua dung dịch chất
điện ly nóng chảy và có
kèm theo sự biến đổi điện
năng thành hóa năng.
Chương 6




25