Bài giảng Hóa học - Chương 11: Điện hóa học

44 trang huongle 8540

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Hóa học - Chương 11: Điện hóa học", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_hoa_hoc_chuong_11_dien_hoa_hoc.ppt

Nội dung text: Bài giảng Hóa học - Chương 11: Điện hóa học

Điện hóa học 11.1 Đối tượng nghiên cứu 11.2 Phản ứng oxy hóa khử 11.3 Cân bằng phản ứng oxy hóa –Khử 11.4 Thế điện cực 11.5 Nguyên tố Gavani 11.6 Sự điện phân 11.7 Định luật Faraday Slide 2 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.2.Phản ứng oxy hóa – khử và cặp oxi hóa khử liên hợp 11.2.1 Phản ứng oxy hóa – khử Số oxy hóa PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI ELECTRON Sự khử Sự oxy (số oxy hóa (số hóa oxy hóa Nhường e = giảm) tăng) Nhận e = sự oxy hóa Sự khử Slide 5 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
Phản ứng oxy hóa – khử Phản ứng oxy hóa – khử PHẢN ỨNG TRAO ĐỔI ELECTRON Một số thuật ngữ thông dụng: • Sự oxy hóa – nhường electron tăng số oxy hóa • Sự khử – nhận electron giảm số oxy hóa • Chất oxy hóa – nhận electron • Chất khử – nhường electron Slide 6 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.3 Cân bằng phản ứng Cu (s) + Ag+ (aq) → Cu2+ (aq) + Ag (s) Bước 1: Xác định bán phản ứng oxi hóa và khử: OX: Cu → Cu2+ + 2e- RED: Ag+ + e- → Ag Bước 2:Cân bằng các bán phương trình Bước 3: Cu → Cu2+ + 2e- 2 Ag+ + 2 e- → 2 Ag Bước 4:Cu (s) + 2 Ag+ (aq) → Cu2+ (aq) + 2Ag (s) Slide 8 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.4 Điện cực Điện cực: là một hệ gồm một thanh dẫn điện ( kim loại hoặc phi kim như than chì ) tiếp xúc với dung dịch chứa một cặp oxi hóa khử liên hợp. Ví dụ: Khi nhúng một thanh dẫn điện vào dd chất điện ly ta được một điện cực Slide 9 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
.Các loại điện cực phổ biến - Điện cực kim lọai – ion kim lọai (điện cực tan) - Điện cực khí – ion - Điện cực kim lọai – anion muối không tan - Điện cực trơ Slide 10 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.4.1 Điện cực kim lọai – ion kim lọai (điện cực tan) Gồm một kim lọai tiếp xúc với ion của nó trong dung dịch Điện cực thường được ký hiệu tắt M ( r) | Mn+ (dd) Ví dụ: Điện cực đồng Cu (r) | Cu2+ Quá trình xãy ra Cu-2e ⇋ Cu2+ Slide 11 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.4.2 Điện cực khí – ion Chất khí tiếp xúc với cation của nó + H (dd) | H2(k) | Pt (r) Quá trình xãy ra + 2H (dd) + 2e ⇋ H2(k) Nếu áp suất khí H2 bằng 1 0 atm, a H+=1M, nhiệt độ 25 C ta có điện cực tiêu chuẩn hydro (E=0) Slide 12 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.4.3 Điện cực kim lọai – anion muối không tan của kloại Kim loại tiếp xúc với muối không tan của nó đồng thời tiếp xúc với dung dịch chứa muối tan cùng anion. I-(dd) | AgI(r ) |Ag (r ) AgI (r ) + 1e ⇋ Ag (r) + I- (dd) Slide 13 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.4.4. Điện cực trơ Gồm một thanh kim loại trơ (như Pt) tiếp xúc với hai dd chất có trạng thái oxy hóa –khử khác nhau ( ví dụ dd chứa hỗn hợp 2 muối Fe2+, Fe3+) Fe3+,Fe2+(dd)|Pt(r ) Fe2+ - 1e ⇋ Fe3+ Slide 14 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.5 Pin điện (Nguyên tố Ganvani) Là một hệ gồm 2 điện cực ghép nối với nhau thành một mạch kín Slide 15 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
Cách biểu diễn nguyên tố Ganvani • Anot là điện cực ở đó xãy ra quá trình oxi hóa Zn (r ) - 2e → Zn2+ • Catot là điện cực ở đó xãy ra quá trình khử Cu2+ + 2e → Cu Cách biểu diễn nguyên tố Ganvani Dùng ký hiệu |để chỉ sự phân cách giữa hai pha; các chất trong cùng một pha dùng dấu phẩy (, );dùng | | để chỉ cầu muối; anot được viết bên trái, catot được viết bên phải (-) Zn(r) | Zn2+ (dd) || Cu2+(dd) | Cu(r) (+) Slide 17 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.6 Thế điện cực 11.6.1 Thế điện cực tiêu chuẩn Thế điện cực tiêu chuẩn của một cặp oxy hoá -khử là sức điện động của một pin tạo bởi điện cực chuẩn của cặp oxy hoá - khử đó với điện cực hidro chuẩn Slide 18 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
Thế điện cực tiêu chuẩn • Thế điện cực hydro tiêu chuẩn được biểu thị + Pt(r)| H2 (k, 1atm)| H (1M) khi là anot + H (1M) | H2 (k, 1atm)| Pt(r) khi là catot 0 E 2H+/H2= 0 • Hiện nay người ta thường dùng điện điện cực calomen làm điện cực so sánh thay cho điện cực hydro.Điện cực này chế tạo từ kim loại thủy ngân trộn calomen Hg2Cl2 trong dung dịch KCl - ½ Hg2Cl2 (r ) + 1e ⇋ Hg ( l) + Cl (dd) So với điện cực tiêu chuẩn hydro thế điện cực chuẩn của điện cực calomen bằng + 0, 2680V Slide 19 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
Bảng thế điện cực tiêu chuẩn ở 250C Bán phản ứng khử Khử hóa yếu hóa Khử Oxi hóa mạnh hóa Oxi Khử hóa mạnh hóa Khử Oxi hóa yếu hóa Oxi Slide 20 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.6.2 Ý nghĩa của thế điện cực khử tiêu chuẩn 1) So sánh độ mạnh các chất oxy hoá và độ mạnh các chất khử. Thế điện cực khử càng lớn thì tính oxi hóa của dạng oxi hóa càng mạnh, tính khử của dạng liên hợp càng yếu Ví dụ: Fe3+ + e → Fe2+ E0 = + 0,71V Cu2+ + 2e → Cu0 E0 = + 0,337V Tính oxi hóa của Fe3+ lớn hơn mạnh hơn Cu2+, tính khử của của đồng kim loại lớn hơn tính khử của Fe2+ Slide 21 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
2) Tính được sức điện động của một pin • Ví dụ: Tính sđđ sinh ra bởi pin có phản ứng : Ag++ Cr2+→ Ag(r ) + Cr3+ giả thiết hoạt độ các ion 1M Giải : anot: Cr2+ - 1e → Cr3+ E0 = + 0,41V catot Ag+ + 1e → Ag E0 = + 0,80V Ag++ Cr2+→ Ag(r ) + Cr3+ E0 = +1,21V Hay: E0 = + 0,80 – (- 0,41) = + 1,21 E = Thế khử của điện cực dương - thế khử của điện cực âm Slide 22 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
3. Dự đoán khả năng diễn biến của một phản ứng oxy – hoá khử Ví dụ: Phản ứng sau có xãy ra không nếu tất cả các chất ở đk chuẩn: Fe3+ + Cu → Fe2+ + Cu2+ Giải Fe3+ + 1e → Fe2+ E0 = + 0,771 V Cu - 2e → Cu2+ E0 = - 0,337 V 2Fe3+ + Cu →2 Fe2+ + Cu2+ E0 = +0,434 V Vì phản ứng có E0 dương nên phản ứng tự xãy ra Dạng oxi hóa của cặp có thế điện điện cực khử lớn hơn có khả năng nhận electron của dạng khử của cặp có thế khử nhỏ hơn Slide 23 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.7 Phương trình Nernst Sự phụ thuộc của thế điện cực cũng như sức điện động của một pin được thể hiện bằng phương tình Nernst 0,0592 E = E0 - lg Q n Trong đó: E0: Thế điện cực tiêu chuẩn n: Số e trao đổi Q: Biểu thức định luật tác dụng khối lượng Slide 24 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
Có phản ứng a A + b B = eE + gG • Nếu xãy ra trong dd loãng , ta có hệ thức Ce Cg • G = G0 +RTln E G = G0 +RTln Q a b CA CB Mặt khác ta có G = -nFE Do đó ta có thể suy ra : nFE = nFE0 - RT lnQ Ở nhiệt độ thường E = E0 – (0,0592 /n) lg Q Trong đó 2,303.R.T/F = (2,303 x 8,314 x 298)96500= 0,0592 và n là số e tham gia phản ứng Slide 25 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
Ví dụ: Áp dụng phương trình Nernst để tính Ecell. Pt|Fe2+(0.10 M),Fe3+(0.20 M)||Ag+(1.0 M)|Ag(s) Slide 26 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
Ví dụ: 0.0592 Ecell = Ecell° - lg Q n 0.0592 [Fe3+] Ecell = Ecell° - lg n [Fe2+] [Ag+] Thay vào: E0 = 0,800-0,771= 0,029V Ecell = 0.029 V – 0.018 V = 0.011 V Pt|Fe2+(0.10 M),Fe3+(0.20 M)||Ag+(1.0 M)|Ag(s) Fe2+(aq) + Ag+(aq) → Fe3+(aq) + Ag (s) Slide 27 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.8.1 Định nghĩa điện phân • Điện phân là quá trình oxi hóa- khử xãy ra trên các điện cực khi có dòng điện 1 chiều đi qua chất điện ly ở trạng thái nóng chảy hoặc dung dịch • Lưu ý : Theo qui ước điện cực, ở đó có qt oxi hóa (nhường e) là anot, còn điện cực mà tại đó xãy ra qt khử (nhận e) là catot + Trong pin anot là cực âm, catot là cực dương + Trong điện phân catot là cực âm, anot là cực dương Slide 29 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.8.2. Thế phân giải-Quá thế 1) Thế phân giải: Thế hiệu tối thiểu của dòng điện một chiều đặt vào hai điện cực của bình điện phân để gây nên sự điện phân • Thế phân giải của một chất điện ly bằng thế phân giải của cation và thế phân giải của anion, tức là bằng sức điện động của pin tương ứng • Ví dụ Thế phân giải của dd CuCl2 và ZnCl2 trong dd 1M là 0 0 0 Dd CuCl2: E =E 2Cl-/Cl2- E Cu2+/Cu= 1,36-(+0,34) = 1,02V 0 0 0 Dd ZnCl2: E =E 2Cl-/Cl2- E Zn2+/Zn= 1,36-(-0,76)= 2,12V Slide 31 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
2.Quá thế • Quá thế là hiện tượng khi đặt vào điện cực một hiệu điện thế bằng thế điện cực nhưng không xãy ra quá trình điện phân mà cần một hiệu điện thế cao hơn • Ví dụ như các ion Fe2+, H+, Ni2+, Co2+ Slide 32 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
11.8.2 Định luật Faraday •Định luật 1:Khối lượng chất thoát ra tỉ lệ với điện lượng qua bình điện phân m= kQ Trong đó k là đương lượng điện hóa về giá trị nó bằng khối lượng chất thoát ra ở điện cực khi có một đơn vị điện lượng đi qua bình điện phân Q là điện lượng có thể tính bằng đơn vị Faraday (F), 1F= 96.500 C = 26,8 A.h • Định luật 2: Những điện lượng như nhau đi qua bình điện phân làm thoát ra cùng một số đương lượng gam chất Cứ 1 F điện lượng đi qua bình điện phân thoát ra 1 đương lượng gam chất bất kỳ Thay Q=I.t và Đ= A/n thì biểu thức toán học của định luật là m= (A.I.t)/(n.F) Alaf n.t.g; I cương độ dòng điện (Ampe); t là thời gian(giây), F= 96500 C Slide 33 of 48 General Chemistry: HUI© 2006
Acqui chì gồm hai tấm chì khoét nhiều lỗ chứa PbO nhúng trong dung dịch H2SO4 nồng độ 25% – 30% , lúc này xảy ra phản ứng: PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O •Khi nạp điện (sạc): - 2- + Cực (+) : PbSO4 - 2e + 2H2O = PbO2 + SO4 + 4H - Cực (-) : PbSO4 + 2e = Pb + SO42- Như thế trong cả acqui xảy ra phản ứng: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2H2SO4 và PbSO4 ở cực âm biến thành chì hoạt động, ở cực dương biến thành PbO2. • Khi acqui hoạt động sẽ xảy ra quá trình phóng điện: - 2- Cực (-) : Pb - 2e + SO4 → PbSO4 - + 2- Cực (+) : PbO2 + 2e + 4H + SO4 →PbSO4 + 2H2O Như thế trong cả acqui xảy ra phản ứng: Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O Slide 39 of 48 General Chemistry: HUI© 2006