Lý thuyết trọng tâm

I. Cặp oxi hóa – khử

1. Khái niệm dạng oxi hóa và dạng khử

Nguyên tử kim loại có thể nhường electron để trở thành cation kim loại. Ngược lại, cation kim loại có thể nhận electron để trở thành nguyên tử kim loại.

Ví dụ:

$$Al^{3+} + 3e \rightleftharpoons Al$$

$$Zn^{2+} + 2e \rightleftharpoons Zn$$

$$Cu^{2+} + 2e \rightleftharpoons Cu$$

Trong các quá trình trên:

• Dạng oxi hóa: $Al^{3+}$, $Zn^{2+}$, $Cu^{2+}$ (chất có khả năng nhận electron)
• Dạng khử: $Al$, $Zn$, $Cu$ (chất có khả năng nhường electron)

2. Cặp oxi hóa – khử của kim loại

Định nghĩa: Dạng oxi hóa và dạng khử tương ứng của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử của kim loại đó.

Cách biểu diễn tổng quát:

$$\boxed{M^{n+}/M}$$

Trong đó:

• $M^{n+}$: dạng oxi hóa
• $M$: dạng khử

Mối quan hệ giữa dạng oxi hóa và dạng khử:

$$M^{n+} + ne \rightleftharpoons M$$

Ví dụ các cặp oxi hóa – khử:

3. Một số cặp oxi hóa – khử đặc biệt

Ngoài các cặp oxi hóa – khử của kim loại, còn có một số cặp đặc biệt cần lưu ý:

Lưu ý: Dạng oxi hóa và dạng khử có thể tồn tại ở dạng ion đơn nguyên tử, ion đa nguyên tử hoặc phân tử.

II. Thế điện cực chuẩn

1. Điện cực

a) Khái niệm điện cực

Ứng với mỗi cặp oxi hóa – khử, có thể thiết lập một điện cực, tại đó tồn tại cân bằng giữa dạng oxi hóa và dạng khử.

b) Cách thiết lập điện cực

Đối với cặp $M^{n+}/M$: Nhúng thanh kim loại $M$ vào dung dịch muối chứa ion $M^{n+}$.

Ví dụ:

• Điện cực kẽm ($Zn^{2+}/Zn$): Thanh Zn nhúng vào dung dịch $ZnSO_4$
• Điện cực đồng ($Cu^{2+}/Cu$): Thanh Cu nhúng vào dung dịch $CuSO_4$

Tại ranh giới giữa kim loại và dung dịch chất điện li, tồn tại cân bằng:

$$M^{n+} + ne \rightleftharpoons M$$

c) Điều kiện chuẩn

Điện cực ở điều kiện chuẩn khi:

• Nồng độ ion kim loại: 1 M
• Nhiệt độ: 25°C (298 K)

d) Lớp điện kép và sự xuất hiện thế điện cực

Khi cân bằng $M^{n+} + ne \rightleftharpoons M$ được thiết lập, tại ranh giới giữa kim loại và dung dịch điện li xuất hiện hai lớp điện tích trái dấu rất gần nhau, gọi là lớp điện kép.

Sự xuất hiện lớp điện kép tạo ra sự chênh lệch điện thế → thế điện cực của điện cực tương ứng.

2. Thế điện cực chuẩn

a) Khái niệm

Thế điện cực chuẩn là đại lượng đặc trưng về điện thế của mỗi điện cực ở điều kiện chuẩn.

• Kí hiệu: $E^o_{M^{n+}/M}$ hoặc $E^o$
• Đơn vị: volt (V)

b) Cách xác định thế điện cực chuẩn

Thực nghiệm không đo được giá trị tuyệt đối của thế điện cực chuẩn, nhưng đo được sự chênh lệch điện thế giữa hai điện cực ở điều kiện chuẩn.

Quy ước: Thế điện cực chuẩn của hydrogen bằng 0:

$$2H^+ + 2e \rightleftharpoons H_2 \quad \quad E^o_{2H^+/H_2} = 0 \text{ V}$$

Cách xác định: Đo sự chênh lệch điện thế giữa điện cực cần xác định với điện cực hydrogen chuẩn.

Ví dụ:

$$Zn^{2+} + 2e \rightleftharpoons Zn \quad \quad E^o_{Zn^{2+}/Zn} = -0,762 \text{ V}$$

$$Cu^{2+} + 2e \rightleftharpoons Cu \quad \quad E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0,340 \text{ V}$$

c) Bảng thế điện cực chuẩn

3. Ý nghĩa của thế điện cực chuẩn

a) So sánh tính khử, tính oxi hóa giữa các cặp oxi hóa – khử

Quy tắc:

Ví dụ: So sánh tính khử của Cu và Ag, tính oxi hóa của $Cu^{2+}$ và $Ag^+$.

Ta có: $E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0,340$ V $<$ $E^o_{Ag^+/Ag} = +0,799$ V

→ Tính khử: Cu > Ag

→ Tính oxi hóa: $Cu^{2+}$ < $Ag^+$

b) Dãy điện hóa của kim loại

Dựa trên thế điện cực chuẩn, các cặp oxi hóa – khử được sắp xếp theo chiều tăng dần thế điện cực chuẩn:

Tính oxi hóa của ion kim loại tăng dần
─────────────────────────────────────────────────────────────────→

K⁺    Ca²⁺   Na⁺   Mg²⁺   Al³⁺   Zn²⁺   Fe²⁺   Ni²⁺   Sn²⁺   Pb²⁺   2H⁺   Cu²⁺   Ag⁺    Au³⁺
│      │      │      │      │      │      │      │      │      │      │      │      │      │
K      Ca     Na     Mg     Al     Zn     Fe     Ni     Sn     Pb     H₂    Cu     Ag     Au

←─────────────────────────────────────────────────────────────────
Tính khử của kim loại tăng dần

c) Dự đoán chiều phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử

Nguyên tắc: Chất khử của cặp có $E^o$ nhỏ hơn sẽ tác dụng với chất oxi hóa của cặp có $E^o$ lớn hơn, tạo ra dạng oxi hóa và dạng khử tương ứng.

Quy tắc α (alpha):

        Chất oxi hóa mạnh        Chất oxi hóa yếu
              ↘                        ↗
                    → Phản ứng →
              ↗                        ↘
        Chất khử mạnh            Chất khử yếu

Công thức nhớ:

$$\boxed{\text{Chất OXH mạnh} + \text{Chất khử mạnh} \rightarrow \text{Chất OXH yếu} + \text{Chất khử yếu}}$$

Ví dụ: Xét hai cặp $Cu^{2+}/Cu$ ($E^o = +0,340$ V) và $Ag^+/Ag$ ($E^o = +0,799$ V)

Vì $E^o_{Cu^{2+}/Cu} < E^o_{Ag^+/Ag}$ nên:

• Chất khử mạnh hơn: Cu
• Chất oxi hóa mạnh hơn: $Ag^+$

Phản ứng xảy ra:

$$Cu + 2Ag^+ \rightarrow Cu^{2+} + 2Ag$$

III. Pin điện hoá

1. Phản ứng oxi hóa – khử và dòng điện

Phản ứng oxi hóa – khử luôn kèm theo sự chuyển electron từ chất khử sang chất oxi hóa.

Nguyên tắc tạo dòng điện:

• Nếu quá trình oxi hóa và quá trình khử xảy ra trên hai điện cực riêng biệt
• Electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hóa qua dây dẫn
• → Năng lượng hóa học chuyển thành năng lượng điện (dòng điện)

Ví dụ: Xét phản ứng $Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu$

2. Pin Galvani

a) Cấu tạo pin Galvani Zn – Cu

Pin Galvani được đặt theo tên nhà bác học người Italia L. Galvani (1737 – 1798).

Các thành phần:

b) Nguyên tắc hoạt động

Tại điện cực kẽm (Anode – Cực âm):

$$Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e \quad \text{(Quá trình oxi hóa)}$$

• Zn nhường electron → trở thành nguồn cung cấp electron
• Electron di chuyển qua dây dẫn sang điện cực đồng

Tại điện cực đồng (Cathode – Cực dương):

$$Cu^{2+} + 2e \rightarrow Cu \quad \text{(Quá trình khử)}$$

• $Cu^{2+}$ nhận electron từ dây dẫn
• Cu bám vào thanh đồng

Phản ứng tổng trong pin:

$$Zn + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu$$

c) Vai trò của cầu muối

Cầu muối có hai vai trò quan trọng:

1. Đóng kín mạch điện: Cho phép các ion di chuyển qua, hoàn thành mạch điện
2. Duy trì tính trung hòa điện: Cân bằng điện tích trong các dung dịch điện li

Lưu ý: Không có cầu muối → pin không hoạt động được!

d) Phân biệt Anode/Cathode và Cực âm/Cực dương

Mẹo nhớ: Anode – Away (electron đi ra) – Cực âm

3. Sức điện động của pin

a) Khái niệm

Sức điện động chuẩn ($E^o_{pin}$) là hiệu điện thế giữa hai điện cực của pin ở điều kiện chuẩn.

b) Công thức tính

$$\boxed{E^o_{pin} = E^o_{cathode} – E^o_{anode}}$$

Hoặc:

$$E^o_{pin} = E^o_{(+)} – E^o_{(-)}$$

Trong đó:

• $E^o_{cathode}$ ($E^o_{(+)}$): Thế điện cực chuẩn của cực dương (giá trị lớn hơn)
• $E^o_{anode}$ ($E^o_{(-)}$): Thế điện cực chuẩn của cực âm (giá trị nhỏ hơn)

c) Ví dụ tính toán

Ví dụ: Tính sức điện động chuẩn của pin Galvani Zn – Cu.

Giải:

Cho: $E^o_{Zn^{2+}/Zn} = -0,762$ V; $E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0,340$ V

Vì $E^o_{Zn^{2+}/Zn} < E^o_{Cu^{2+}/Cu}$ nên:

• Anode (cực âm): điện cực Zn
• Cathode (cực dương): điện cực Cu

Sức điện động chuẩn:

$$E^o_{pin} = E^o_{Cu^{2+}/Cu} – E^o_{Zn^{2+}/Zn}$$

$$E^o_{pin} = (+0,340) – (-0,762) = 1,102 \text{ V}$$

IV. Một số loại pin khác

1. Acquy (Pin thứ cấp)

Đặc điểm:

• Là nguồn điện được sử dụng phổ biến trong phương tiện giao thông, thiết bị lưu điện, phát điện
• Thuộc loại pin thứ cấp (pin sạc): các chất phản ứng được tái tạo trong quá trình sạc bằng dòng điện một chiều

2. Pin nhiên liệu

Đặc điểm:

• Là pin điện hóa chuyển đổi hóa năng thành điện năng qua phản ứng oxi hóa – khử giữa nhiên liệu và chất oxi hóa
• Nhiên liệu: methane, methanol, ethanol, hydrogen,…
• Chất oxi hóa: thường là oxygen

Pin nhiên liệu hydrogen – oxygen có nhiều ứng dụng và triển vọng trong tương lai.

3. Pin Mặt Trời (Solar cell)

Đặc điểm:

• Gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn ghép nối với nhau
• Có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng

4. Bảng so sánh ưu – nhược điểm

Phương pháp giải bài tập

Dạng 1: Viết và xác định cặp oxi hóa – khử

Phương pháp:

Bước 1: Xác định nguyên tố thay đổi số oxi hóa

Bước 2: Viết quá trình oxi hóa và quá trình khử

Bước 3: Xác định dạng oxi hóa (chất nhận e) và dạng khử (chất nhường e)

Bước 4: Viết cặp oxi hóa – khử theo mẫu: Dạng oxi hóa/Dạng khử

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Cho phản ứng: $Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2$. Xác định các cặp oxi hóa – khử trong phản ứng.

Giải:

Quá trình oxi hóa: $Fe \rightarrow Fe^{2+} + 2e$ → Cặp oxi hóa – khử: $Fe^{2+}/Fe$

Quá trình khử: $2H^+ + 2e \rightarrow H_2$ → Cặp oxi hóa – khử: $2H^+/H_2$

Lưu ý quan trọng:

Dạng 2: So sánh tính khử, tính oxi hóa

Phương pháp:

Cách 1: Dựa vào thế điện cực chuẩn

Cách 2: Dựa vào dãy điện hóa

• Kim loại đứng trước có tính khử mạnh hơn
• Ion kim loại đứng sau có tính oxi hóa mạnh hơn

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: So sánh tính khử của Fe và Cu, tính oxi hóa của $Fe^{2+}$ và $Cu^{2+}$.

Giải:

Cho: $E^o_{Fe^{2+}/Fe} = -0,440$ V; $E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0,340$ V

Vì $E^o_{Fe^{2+}/Fe} < E^o_{Cu^{2+}/Cu}$ nên:

• Tính khử: Fe > Cu
• Tính oxi hóa: $Fe^{2+}$ < $Cu^{2+}$

Dạng 3: Dự đoán chiều phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử

Phương pháp:

Bước 1: So sánh thế điện cực chuẩn của hai cặp

Bước 2: Áp dụng quy tắc α:

• Chất khử của cặp có $E^o$ nhỏ hơn + Chất oxi hóa của cặp có $E^o$ lớn hơn → Phản ứng xảy ra

Bước 3: Viết phương trình phản ứng

Sơ đồ quy tắc α:

     E° nhỏ                    E° lớn
    ┌───────┐                ┌───────┐
    │ Ox₁   │                │ Ox₂   │
    │   ↑   │                │   ↑   │
    │   │   │                │   │   │
    │ Kh₁   │ ──────────────→│ Kh₂   │
    └───────┘                └───────┘
    
    Kh₁ + Ox₂ → Ox₁ + Kh₂

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Dự đoán phản ứng xảy ra khi cho Fe vào dung dịch $CuSO_4$.

Giải:

Cho: $E^o_{Fe^{2+}/Fe} = -0,440$ V; $E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0,340$ V

Vì $E^o_{Fe^{2+}/Fe} < E^o_{Cu^{2+}/Cu}$:

• Chất khử mạnh: Fe (của cặp có $E^o$ nhỏ)
• Chất oxi hóa mạnh: $Cu^{2+}$ (của cặp có $E^o$ lớn)

Áp dụng quy tắc α:

$$Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu$$

Bài tập vận dụng:

Câu hỏi: Dự đoán phản ứng xảy ra (nếu có) trong các trường hợp sau:

a) Cho Cu vào dung dịch $FeCl_3$

b) Cho Fe vào dung dịch $MgCl_2$

Giải:

a) Có: $E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0,340$ V; $E^o_{Fe^{3+}/Fe^{2+}} = +0,771$ V

Vì $E^o_{Cu^{2+}/Cu} < E^o_{Fe^{3+}/Fe^{2+}}$ → Phản ứng xảy ra:

$$Cu + 2Fe^{3+} \rightarrow Cu^{2+} + 2Fe^{2+}$$

b) Có: $E^o_{Fe^{2+}/Fe} = -0,440$ V; $E^o_{Mg^{2+}/Mg} = -2,356$ V

Vì $E^o_{Fe^{2+}/Fe} > E^o_{Mg^{2+}/Mg}$:

• Fe là chất khử yếu hơn Mg
• $Mg^{2+}$ là chất oxi hóa yếu hơn $Fe^{2+}$

→ Không xảy ra phản ứng (chất khử yếu không tác dụng với chất oxi hóa yếu)

Dạng 4: Tính sức điện động của pin điện hóa

Phương pháp:

Bước 1: Xác định điện cực nào là Anode (cực âm), điện cực nào là Cathode (cực dương)

• Anode: điện cực có $E^o$ nhỏ hơn
• Cathode: điện cực có $E^o$ lớn hơn

Bước 2: Áp dụng công thức:

$$E^o_{pin} = E^o_{cathode} – E^o_{anode}$$

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Tính sức điện động chuẩn của pin Galvani tạo bởi hai cặp $Al^{3+}/Al$ và $Cu^{2+}/Cu$.

Cho: $E^o_{Al^{3+}/Al} = -1,676$ V; $E^o_{Cu^{2+}/Cu} = +0,340$ V

Giải:

Vì $E^o_{Al^{3+}/Al} < E^o_{Cu^{2+}/Cu}$ nên:

• Anode (cực âm): điện cực Al
• Cathode (cực dương): điện cực Cu

Sức điện động chuẩn:

$$E^o_{pin} = E^o_{Cu^{2+}/Cu} – E^o_{Al^{3+}/Al}$$

$$E^o_{pin} = (+0,340) – (-1,676) = 2,016 \text{ V}$$

Dạng 5: Xác định cực và viết phản ứng xảy ra trong pin

Phương pháp:

Bước 1: So sánh $E^o$ để xác định Anode và Cathode

Bước 2: Viết quá trình tại mỗi điện cực:

• Tại Anode: Quá trình oxi hóa (nhường e)
• Tại Cathode: Quá trình khử (nhận e)

Bước 3: Cân bằng electron và viết phản ứng tổng

Ví dụ minh họa:

Câu hỏi: Cho pin Galvani tạo bởi hai cặp $Mg^{2+}/Mg$ và $Ag^+/Ag$. Viết các quá trình xảy ra tại mỗi điện cực và phản ứng tổng.

Cho: $E^o_{Mg^{2+}/Mg} = -2,356$ V; $E^o_{Ag^+/Ag} = +0,799$ V

Giải:

Xác định cực:

• Anode (cực âm): Mg (vì $E^o_{Mg^{2+}/Mg} < E^o_{Ag^+/Ag}$)
• Cathode (cực dương): Ag

Quá trình tại các điện cực:

Tại Anode: $Mg \rightarrow Mg^{2+} + 2e$

Tại Cathode: $Ag^+ + e \rightarrow Ag$ (×2)

Phản ứng tổng:

$$Mg + 2Ag^+ \rightarrow Mg^{2+} + 2Ag$$

Sức điện động:

$$E^o_{pin} = (+0,799) – (-2,356) = 3,155 \text{ V}$$

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ