Lớp 12 · Hoá Học
Bài 15
Thế điện cực và nguồn điện hoá học
Cặp oxi hoá – khử, thế điện cực chuẩn, dãy điện hoá, quy tắc α dự đoán chiều phản ứng, pin Galvani, sức điện động chuẩn và các loại pin (acquy, pin nhiên liệu, pin Mặt Trời)
1
Cặp oxi hoá - khử của kim loại
▼
Nguyên tử kim loại có thể nhường electron thành cation; ngược lại cation kim loại có thể nhận electron thành nguyên tử kim loại:
$\text{Zn}^{2+} + 2e \rightleftharpoons \text{Zn}$ $\text{Cu}^{2+} + 2e \rightleftharpoons \text{Cu}$
- Dạng oxi hoá: chất có khả năng nhận electron (ví dụ $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$).
- Dạng khử: chất có khả năng nhường electron (ví dụ $\text{Zn}$, $\text{Cu}$).
CẶP OXI HOÁ - KHỬ
Dạng oxi hoá và dạng khử của cùng một nguyên tố tạo nên cặp oxi hoá - khử, kí hiệu $\text{M}^{n+}/\text{M}$
$\text{M}^{n+} + ne \rightleftharpoons \text{M}$
$\text{M}^{n+} + ne \rightleftharpoons \text{M}$
✍️
Khi viết cặp oxi hoá - khử, dạng oxi hoá luôn đứng trước (trên tử số). Viết $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$ là đúng; viết $\text{Fe}/\text{Fe}^{2+}$ là sai.
▸ Một số cặp đặc biệt
| Cặp | Đặc điểm |
|---|---|
| $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$ | Cả hai dạng đều là ion |
| $2\text{H}^+/\text{H}_2$ | Cặp oxi hoá - khử của hydrogen |
| $\text{Cl}_2/2\text{Cl}^-$ | Cặp oxi hoá - khử của phi kim |
2
Điện cực & thế điện cực chuẩn
▼
Ứng với mỗi cặp $\text{M}^{n+}/\text{M}$, có thể thiết lập một điện cực bằng cách nhúng thanh kim loại $\text{M}$ vào dung dịch muối chứa ion $\text{M}^{n+}$. Tại ranh giới kim loại – dung dịch tồn tại cân bằng $\text{M}^{n+} + ne \rightleftharpoons \text{M}$.
⚙️
Điều kiện chuẩn: nồng độ ion kim loại bằng 1 M, nhiệt độ 25 °C (298 K).
Sự xuất hiện lớp điện kép (hai lớp điện tích trái dấu) ở ranh giới tạo ra chênh lệch điện thế → thế điện cực.
THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN
Là đại lượng đặc trưng cho điện thế của mỗi điện cực ở điều kiện chuẩn.
Kí hiệu $E^{\circ}_{\text{M}^{n+}/\text{M}}$ · Đơn vị: volt (V)
Kí hiệu $E^{\circ}_{\text{M}^{n+}/\text{M}}$ · Đơn vị: volt (V)
Không đo được giá trị tuyệt đối, chỉ đo được chênh lệch điện thế so với điện cực hydrogen chuẩn (quy ước bằng 0):
$2\text{H}^+ + 2e \rightleftharpoons \text{H}_2$ $E^{\circ}_{2\text{H}^+/\text{H}_2} = 0{,}000$ V
Ví dụ: $E^{\circ}_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0{,}762$ V; $E^{\circ}_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0{,}340$ V.
3
Bảng thế điện cực chuẩn & dãy điện hoá
▼
Bảng thế điện cực chuẩn của một số cặp oxi hoá - khử (ở 25 °C):
| Cặp | $E^{\circ}$ (V) | Cặp | $E^{\circ}$ (V) |
|---|---|---|---|
| $\text{K}^+/\text{K}$ | −2,931 | $\text{Pb}^{2+}/\text{Pb}$ | −0,126 |
| $\text{Ca}^{2+}/\text{Ca}$ | −2,868 | $2\text{H}^+/\text{H}_2$ | 0,000 |
| $\text{Na}^+/\text{Na}$ | −2,713 | $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ | +0,340 |
| $\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}$ | −2,356 | $\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}$ | +0,771 |
| $\text{Al}^{3+}/\text{Al}$ | −1,676 | $\text{Ag}^+/\text{Ag}$ | +0,799 |
| $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ | −0,762 | $\text{Au}^{3+}/\text{Au}$ | +1,498 |
| $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$ | −0,440 | $\text{Ni}^{2+}/\text{Ni}$ | −0,257 |
▸ Dãy điện hoá của kim loại
Sắp xếp các cặp theo chiều tăng dần $E^{\circ}$:
⟵ tính khử của kim loại GIẢM dần | tính oxi hoá của ion TĂNG dần ⟶
$\text{K}^+$
K
$\text{Ca}^{2+}$
Ca
$\text{Na}^+$
Na
$\text{Mg}^{2+}$
Mg
$\text{Al}^{3+}$
Al
$\text{Zn}^{2+}$
Zn
$\text{Fe}^{2+}$
Fe
$\text{Ni}^{2+}$
Ni
$\text{Sn}^{2+}$
Sn
$\text{Pb}^{2+}$
Pb
$2\text{H}^+$
$\text{H}_2$
$\text{Cu}^{2+}$
Cu
$\text{Ag}^+$
Ag
$\text{Au}^{3+}$
Au
MẸO NHỚ DÃY ĐIỆN HOÁ
"Khi Cần Nàng May Áo Záp Sắt Nên Sang Phố Hỏi Đồng Bạc Vàng"
K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H) Cu Ag Au
K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb (H) Cu Ag Au
4
So sánh tính khử & tính oxi hoá
▼
| Giá trị $E^{\circ}$ | Tính khử của dạng khử | Tính oxi hoá của dạng oxi hoá |
|---|---|---|
| Càng nhỏ (càng âm) | Càng mạnh | Càng yếu |
| Càng lớn (càng dương) | Càng yếu | Càng mạnh |
📝 VÍ DỤ – SO SÁNH Cu & Ag
Cho $E^{\circ}_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0{,}340$ V và $E^{\circ}_{\text{Ag}^+/\text{Ag}} = +0{,}799$ V.
→ Vì $E^{\circ}_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} < E^{\circ}_{\text{Ag}^+/\text{Ag}}$ nên tính khử: Cu > Ag.
→ Tính oxi hoá: $\text{Cu}^{2+} < \text{Ag}^+$.
GHI NHỚ
$E^{\circ}$ càng ÂM → tính khử (kim loại) càng MẠNH
$E^{\circ}$ càng DƯƠNG → tính oxi hoá (ion) càng MẠNH
$E^{\circ}$ càng DƯƠNG → tính oxi hoá (ion) càng MẠNH
5
Quy tắc α: dự đoán chiều phản ứng
▼
NGUYÊN TẮC (QUY TẮC α)
Chất khử của cặp có $E^{\circ}$ NHỎ + Chất oxi hoá của cặp có $E^{\circ}$ LỚN → phản ứng xảy ra
(Chất OXH mạnh + Chất khử mạnh → Chất OXH yếu + Chất khử yếu)
(Chất OXH mạnh + Chất khử mạnh → Chất OXH yếu + Chất khử yếu)
📝 VÍ DỤ – Cu + $\text{Ag}^+$
Xét hai cặp $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ ($+0{,}340$ V) và $\text{Ag}^+/\text{Ag}$ ($+0{,}799$ V).
→ Chất khử mạnh hơn: Cu (cặp $E^{\circ}$ nhỏ); chất oxi hoá mạnh hơn: $\text{Ag}^+$ (cặp $E^{\circ}$ lớn).
→ Phản ứng: $\text{Cu} + 2\text{Ag}^+ \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{Ag}$.
📝 VÍ DỤ – CÓ XẢY RA HAY KHÔNG?
Cho Fe vào dung dịch $\text{MgCl}_2$: $E^{\circ}_{\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}} = -0{,}440$ V $>$ $E^{\circ}_{\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}} = -2{,}356$ V.
→ Fe là chất khử yếu hơn Mg, $\text{Mg}^{2+}$ là chất oxi hoá yếu hơn $\text{Fe}^{2+}$ → KHÔNG xảy ra phản ứng.
🧪
Điều kiện kim loại tác dụng với acid (giải phóng $\text{H}_2$): $E^{\circ}_{\text{M}^{n+}/\text{M}} < E^{\circ}_{2\text{H}^+/\text{H}_2} = 0$ V. Kim loại có $E^{\circ} > 0$ (Cu, Ag, Au) không tác dụng với acid loãng thông thường.
6
Pin Galvani & sức điện động chuẩn
▼
Nếu quá trình oxi hoá và quá trình khử xảy ra trên hai điện cực riêng biệt, electron truyền qua dây dẫn → tạo dòng điện (năng lượng hoá học → điện năng). Đó là nguyên tắc của pin Galvani.
▸ Cấu tạo & hoạt động (pin Zn – Cu)
ANODE (−)
Zn
dd $\text{ZnSO}_4$ 1M
$e^-$ →
cầu muối
CATHODE (+)
Cu
dd $\text{CuSO}_4$ 1M
| Điện cực | Quá trình |
|---|---|
| Anode (cực âm, Zn) | $\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2e$ (oxi hoá) |
| Cathode (cực dương, Cu) | $\text{Cu}^{2+} + 2e \rightarrow \text{Cu}$ (khử) |
Phản ứng tổng trong pin
$\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}$
🌉
Cầu muối (ống chữ U chứa $\text{KCl}$, $\text{KNO}_3$…) có 2 vai trò: đóng kín mạch điện (cho ion di chuyển) và duy trì trung hoà điện. Không có cầu muối → pin không hoạt động.
▸ Phân biệt Anode / Cathode
| Thuật ngữ | Điện cực | Quá trình |
|---|---|---|
| Anode (cực âm) | $E^{\circ}$ nhỏ hơn | Oxi hoá (electron đi ra) |
| Cathode (cực dương) | $E^{\circ}$ lớn hơn | Khử (electron đi vào) |
SỨC ĐIỆN ĐỘNG CHUẨN
$E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{cathode}} - E^{\circ}_{\text{anode}} = E^{\circ}_{(+)} - E^{\circ}_{(-)}$
📝 VÍ DỤ – PIN Zn – Cu
$E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} - E^{\circ}_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = (+0{,}340) - (-0{,}762) = 1{,}102$ V.
▸ Suy ngược từ sức điện động:
Từ công thức $E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{cathode}} - E^{\circ}_{\text{anode}}$, có thể suy ra:
Từ công thức $E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{cathode}} - E^{\circ}_{\text{anode}}$, có thể suy ra:
- $E^{\circ}_{\text{cathode}} = E^{\circ}_{\text{pin}} + E^{\circ}_{\text{anode}}$
- $E^{\circ}_{\text{anode}} = E^{\circ}_{\text{cathode}} - E^{\circ}_{\text{pin}}$
7
Các loại pin & phương pháp giải bài tập
▼
▸ Một số loại pin khác
| Loại pin | Đặc điểm |
|---|---|
| Acquy (pin thứ cấp) | Pin sạc lại được; chất phản ứng tái tạo khi sạc bằng dòng một chiều |
| Pin nhiên liệu | Chuyển hoá năng → điện năng nhờ phản ứng giữa nhiên liệu ($\text{H}_2$, methanol…) và chất oxi hoá ($\text{O}_2$) |
| Pin Mặt Trời | Tấm vật liệu bán dẫn, chuyển quang năng → điện năng |
♻️
Acquy chì: rẻ, dễ tái chế nhưng nặng, tuổi thọ thấp và gây ô nhiễm chì. Pin nhiên liệu & pin Mặt Trời: sạch, hiệu suất cao nhưng giá thành cao.
▸ Dạng 1: Dự đoán chiều phản ứng (quy tắc α)
📝 VÍ DỤ – Cu + $\text{Fe}^{3+}$
$E^{\circ}_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0{,}340$ V $<$ $E^{\circ}_{\text{Fe}^{3+}/\text{Fe}^{2+}} = +0{,}771$ V.
→ Phản ứng xảy ra: $\text{Cu} + 2\text{Fe}^{3+} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{Fe}^{2+}$.
▸ Dạng 2: Tính sức điện động chuẩn của pin
$E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{cathode}} - E^{\circ}_{\text{anode}}$ (cathode = cặp $E^{\circ}$ lớn hơn)
📝 VÍ DỤ – PIN Al – Cu
$E^{\circ}_{\text{Al}^{3+}/\text{Al}} = -1{,}676$ V; $E^{\circ}_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0{,}340$ V.
→ Anode: Al; Cathode: Cu.
→ $E^{\circ}_{\text{pin}} = (+0{,}340) - (-1{,}676) = 2{,}016$ V.
8
Tổng kết & ghi nhớ nhanh
▼
| Nội dung | Ghi nhớ |
|---|---|
| Cặp oxi hoá - khử | $\text{M}^{n+}/\text{M}$ (dạng oxi hoá đứng trước) |
| Thế điện cực chuẩn | $E^{\circ}$, đơn vị V; $E^{\circ}_{2\text{H}^+/\text{H}_2} = 0$ |
| $E^{\circ}$ càng âm | Tính khử kim loại càng mạnh |
| $E^{\circ}$ càng dương | Tính oxi hoá ion càng mạnh |
| Quy tắc α | Khử (cặp $E^{\circ}$ nhỏ) + OXH (cặp $E^{\circ}$ lớn) → phản ứng |
| KL + acid (ra $\text{H}_2$) | $E^{\circ}_{\text{M}^{n+}/\text{M}} < 0$ |
| Anode | Cực âm, oxi hoá, $E^{\circ}$ nhỏ hơn |
| Cathode | Cực dương, khử, $E^{\circ}$ lớn hơn |
| Sức điện động | $E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{cathode}} - E^{\circ}_{\text{anode}}$ (luôn > 0) |
MẸO NHỚ NHANH
"Anode – Away ($e^-$ đi ra) – cực ÂM – oxi hoá"
"Cathode – Come ($e^-$ đi vào) – cực DƯƠNG – khử"
$E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{lớn}} - E^{\circ}_{\text{nhỏ}}$
"Cathode – Come ($e^-$ đi vào) – cực DƯƠNG – khử"
$E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{lớn}} - E^{\circ}_{\text{nhỏ}}$
▸ Một số lỗi thường gặp
| Lỗi sai | Cần nhớ đúng |
|---|---|
| Viết cặp $\text{Fe}/\text{Fe}^{2+}$ | Dạng oxi hoá đứng trước: $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$ |
| Lấy $E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{anode}} - E^{\circ}_{\text{cathode}}$ | $E^{\circ}_{\text{pin}} = E^{\circ}_{\text{cathode}} - E^{\circ}_{\text{anode}} > 0$ |
| Cho Cu tan trong acid loãng (HCl) | $E^{\circ}_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} > 0$ → Cu không phản ứng |
| Cho anode là cực dương | Anode là cực âm (nơi oxi hoá) |
| Cho pin hoạt động không cần cầu muối | Thiếu cầu muối → pin không hoạt động |
📚
Xem lại lý thuyết cặp oxi hoá - khử, thế điện cực chuẩn, dãy điện hoá, pin Galvani đầy đủ cùng các công thức và mẹo nhớ nhanh trong bài viết chi tiết.
Đọc bài chi tiết →
1
—
Điểm: 0/27
⚡
Cùng luyện Bài 15 – Thế điện cực & nguồn điện hoá học!
27 câu: 21 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận
🏆
Tuyệt vời!
0/27
💡 Gợi ý
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