Công nghệ Hóa học - Chương 8: Điện hóa học

Nội dung text: Công nghệ Hóa học - Chương 8: Điện hóa học

1. CHƯƠNG 8: ĐIỆN HÓA HỌC (Thời lượng: 3t LT + 1t BT) 1
2. • Điện hóa học nghiên cứu sự chuyển hóa tương hỗ giữa hóa năng và điện năng • Nghiên cứu giúp xác định chiều hướng quá trình, mức độ diễn ra, công có ích (dòng điện) sinh ra. 2
3. 1. PHẢN ỨNG OXY HÓA KHỬ VÀ DÒNG ĐIỆN 3
4. 1.1 Khái niệm về phản ứng oxy hóa khử Phản ứng hóa học được chia thành hai loại: ➢ Không có sự thay đổi số oxy hóa các nguyên tố tham gia phản ứng. ➢ Có sự thay đổi số oxy hóa các nguyên tố tham gia phản ứng (phản ứng oxy hóa khử) 4
5. Đặc điểm chung của phản ứng oxy hóa khử: ➢ Có sự trao đổi eletron ➢ Gồm 2 quá trình diễn ra đồng thời: quá trình cho electron được gọi quá trình oxy hóa và quá trình nhận elctron được gọi quá trình khử. ➢ Gồm 2 chất có mặt đồng thời: chất cho electron được gọi chất khử (chất bị oxyhóa) và chất nhận electron được gọi chất oxy hóa (chất bị khử). Ví dụ: Phản ứng Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu 5
6. •Nếu ký hiệu dạng khử là Kh và dạng oxy hóa là Ox thì các quá trình oxy hóa, khử và phản ứng oxy hóa- khử được biểu diễn như sau: •KhI OxI + ne OxII + ne KhII ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ KhI + OxII OxI + KhII OxI , KhI và OxII , KhII là các cặp oxy hóa-khử I và II. Ký hiệu: OxI/KhI; OxII/KhII 6
7. 1.2 Phản ứng oxy hóa khử và dòng điện ➢ Khi nào hóa năng của phản ứng có thể chuyển thành nhiệt năng? ➢ Khi nào hoá năng của phản ứng chuyển thành điện năng ? 7
8. 2. NGUYÊN TỐ GALVANIC 8
9. 2.1 Cấu tạo Zn (−) (+) Cu Nguyên tố galvanic được cấu tạo từ 2 điện cực nối với nhau bằng một dây dẫn kim loại Điện cực đơn giản gồm 1 thanh kim loại nhúng trong dung dịch chất điện li của nó ZnSO4 CuSO4 màng xốp 9
10. 2.2 Hoạt động của nguyên tố Cu−Zn • * Ở điện cực kẽm: kẽm hoạt động hơn đồng nên thanh kẽm bị hòa tan, nghĩa là xảy ra quá trình oxy hóa kẽm , được biểu diễn bằng bán phản ứng: •Zn − 2e Zn2+ •Quá trình này được gọi là quá trình điện hóa hay quá trình điện cực. •* Ở điện cực đồng: diễn ra quá trình kết tủa đồng trên thanh đồng, nghĩa là xảy ra quá trình khử ion đồng , được biểu diễn bằng bán phản ứng: •Cu2+ + 2e Cu •Quá trình này cũng được gọi là quá trình điện hóa hay quá trình điện cực 10
11. •Trong toàn bộ nguyên tố galvanic: diễn ra phản ứng oxy hóa-khử: •Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu Khi nguyên tố galvanic hoạt động: ➢ Trên các điện cực xảy ra các quá trình điện hóa ➢ Điện cực có quá trình oxy hóa xảy ra là điện cực âm ➢ Điện cực có quá trình khử xảy ra là điện cực dương ➢ Electron từ điện cực kẽm chuyển sang điện cực đồng 11
12. •Ký hiệu nguyên tố galvanic: Nguyên tố Cu−Zn: 2+ 2+ •(−) ZnZn (C1)Cu (C2)  Cu (+) • Tổng quát : (−) MIMMMII (+) •Lưu ý: khi điện cực hình thành từ hai thành phần khí, dung dịch (không có kim loại) thì sẽ sử dụng một kim loại trơ (Pt) làm trung gian tiếp xúc điện. 3+ 2+ + •Ví dụ: điện cực Fe /Fe ; H /H2 12
13. 2.3 Thế điện cực Thế điện cực là đại lượng điện thế đặc trưng cho quá trình điện cực hay điện cực. Ký hiệu: o: thế điện cực tiêu chuẩn ứng với nồng độ các chất tham gia quá trình điện cực đều bằng 1 đơn vị (mỗi một cặp oxy hóa khử sẽ có một giá trị o khác nhau – có thể tìm giá trị này trong các bảng phụ lục) 13
14. 2.3 Thế điện cực Phương trình Nernst ➢ Đối với quá trình điện cực tổng quát RT [Ox] = o + ln nF [Kh] ▪ n: số electron trao đổi trong quá trình điện cực ▪[Ox], [Kh]: nồng độ các chất tham gia dạng oxy hóa và dạng khử ▪ F: số Faraday; R: hằng số khí; T: nhiệt độ tuyệt đối 14
15. Khi R = 1,987 cal/mol.độ (8,314 J/mol.độ), F = 23062 (96500 culong/mol) T = 298oK 0,059 [Ox] = o + lg n [Kh] Phương trình Nernst tính của điện cực bất kỳ ở 25oC Như vậy phụ thuộc vào: ➢ Bản chất chất tham gia quá trình điện cực ( o), nhiệt độ (T) ➢ Nồng độ các chất tham gia quá trình điện cực ([ ]) 15
16. Sức điện động Sức điện động của nguyên tố galvanic bằng hiệu số giữa thế điện cực của điện cực dương và thế điện cực của điện cực âm: E = (+) − (−) 16
17. 2.4 Sức điện động của nguyên tố Galvanic và hằng số cân bằng K A’m = - ∆G A’m = nFE → ∆G = - nFE Đối với nguyên tố Galvanic thuận nghịch dựa trên phản ứng: aA + bB ↔ cC + dD Go = − nFEo = −RTlnK 17
18. Eo = (RT/nF) lnK •Eo: sức điện động tiêu chuẩn, tương ứng điều kiện nồng độ các chất phản ứng đều bằng 1 đơn vị •F: số Faraday •n: số electron trao đổi trong phản ứng oxy hóa-khử •K: hằng số cân bằng của phản ứng oxy hóa-khử 18
19. 3. CHIỀU XẢY RA CỦA PHẢN ỨNG OXY HÓA-KHỬ 19
20. Quy tắc α: Phản ứng oxy hóa-khử xảy ra theo chiều dạng oxy hóa của quá trình điện cực có lớn hơn sẽ oxy hóa dạng khử của quá trình điện cực có nhỏ hơn. Khi các o có giá trị khác xa nhau thì có thể dùng trực tiếp o để xác định chiều xảy ra của phản ứng ở điều kiện chuẩn cũng như gần điều kiện chuẩn. 20
21. Ví dụ: Xác định chiều xảy ra của phản ứng oxy hóa khử ở 25oC: • 5Fe2(SO4)3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O •10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 • Cho: 2+ 3+ o •Fe Fe + 1e, 298= 0,77 V 2+ - + o •Mn + 4H2O MnO4 + 8H + 5e, 298 = 1,51V. 21
22. •Ví dụ 2: Xác định chiều xảy ra của phản ứng oxy hóa-khử : 2+ 2+ 3+ Hg2 + 2Fe 2Hg +2Fe •trong 2 trường hợp: •a) [Hg2+] = [Fe2+] = 10−1, [Fe3+] = 10−4 mol/lit . 2+ 2+ −4 3+ −1 b) [Hg2 ] = [Fe ] = 10 , [Fe ] = 10 mol/lit . • Cho: 2+ o •2Hg [Hg2 ] + 2e , = 0,79 V •Fe2+ Fe3+ + 1e , o = 0,77 V 22
23. THANK YOU 23
24. Cho phản ứng: Pb2+ + Fe ↔ Pb + Fe2+; o 2+ Cho biết 298(Pb /Pb) = - 0,126V, o 2+ 298(Fe /Fe) = - 0,409V a. Xác định chiều của phản ứng xảy ra ở điều kiện chuẩn. Giải thích? b. Viết ký hiệu pin tương ứng với phản ứng vừa xác định chiều. c. Tính sức điện động tiêu chuẩn của pin và hằng số cân bằng của phản ứng trên ở 25oC. 24
25. Hãy xác định chiều phản ứng khi trộn hai cặp oxi hóa khử Sn2+/Sn và Ag+/Ag. Viết sơ đồ pin và các phản ứng xảy ra ở các điện cực từ đó tính suất điện động của pin ở điều kiện chuẩn và hằng số cân bằng của phản ứng. 0 2+ Biết φ 298 (Sn /Sn) = -0,136(V) và 0 + φ 298 (Ag /Ag) = +0,799(V). 25