Câu hỏi mở đầu trang 67

Đề bài: Pin điện hoá có cấu tạo như thế nào? Phản ứng oxi hoá – khử đóng vai trò gì trong hoạt động của pin điện hoá? Làm thế nào để lắp ráp được một số pin điện hoá đơn giản?

Lời giải:

• Cấu tạo pin điện hoá: gồm 2 điện cực (mỗi điện cực ứng với 1 cặp oxi hoá – khử) nối với nhau qua dây dẫn và cầu muối (hoặc màng ngăn xốp).
• Vai trò của phản ứng oxi hoá – khử: là nguồn tạo ra dòng điện. Ở anode xảy ra quá trình oxi hoá, ở cathode xảy ra quá trình khử → electron di chuyển từ anode qua dây dẫn sang cathode, tạo ra dòng điện.
• Lắp ráp pin đơn giản: cắm 2 thanh kim loại khác nhau (ví dụ Zn và Cu) vào quả chanh, quả cam hoặc lọ nước muối, nối 2 thanh với vôn kế để đo sức điện động.d

I. Cặp oxi hoá – khử

Hoạt động trang 67 – Thí nghiệm phản ứng của kẽm với dung dịch copper(II) sulfate

Đề bài: Nhúng một thanh kẽm vào cốc đựng dung dịch $\text{CuSO}_4$, sau một thời gian nhấc thanh kẽm ra thì thấy xuất hiện một lớp đồng màu đỏ bám vào thanh kẽm.

1. Viết phương trình hoá học dạng ion rút gọn của phản ứng oxi hoá – khử xảy ra trong thí nghiệm.

2. Viết quá trình oxi hoá nguyên tử Zn và quá trình khử ion $\text{Cu}^{2+}$. Chỉ ra dạng oxi hoá và dạng khử trong mỗi quá trình.

3. Biểu diễn dạng oxi hoá và dạng khử của mỗi nguyên tố theo dạng: dạng oxi hoá/dạng khử.

Lời giải:

1. Phương trình ion rút gọn:

$$\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}$$

2.

• Quá trình oxi hoá Zn: $\text{Zn} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{e}$
  • Dạng khử: Zn; dạng oxi hoá: $\text{Zn}^{2+}$.
• Quá trình khử $\text{Cu}^{2+}$: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e} \longrightarrow \text{Cu}$
  • Dạng oxi hoá: $\text{Cu}^{2+}$; dạng khử: Cu.

3. Biểu diễn cặp oxi hoá – khử:

$$\dfrac{\text{Zn}^{2+}}{\text{Zn}}\quad \text{và} \quad \dfrac{\text{Cu}^{2+}}{\text{Cu}}$$

Câu 1 trang 68

Đề bài: Viết bán phản ứng hoặc cặp oxi hoá – khử còn thiếu trong bảng dưới đây vào vở:

Lời giải:

Cách viết cặp oxi hoá – khử: dạng oxi hoá/dạng khử.

Câu 2 trang 68

Đề bài: Cho đinh sắt (iron) tác dụng với dung dịch hydrochloric acid, thu được muối iron(II) chloride và khí hydrogen.

a) Viết phương trình hoá học của phản ứng ở dạng ion thu gọn.

b) Xác định các cặp oxi hoá – khử trong phản ứng trên.

Lời giải:

a) Phương trình ion thu gọn:

$$\text{Fe} + 2\text{H}^+ \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{H}_2\uparrow$$

b) Xác định cặp oxi hoá – khử:

• Fe nhường electron → oxi hoá: $\text{Fe} \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + 2\text{e}$ → cặp $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$.
• $\text{H}^+$ nhận electron → khử: $2\text{H}^+ + 2\text{e} \longrightarrow \text{H}_2$ → cặp $2\text{H}^+/\text{H}_2$.

→ Hai cặp oxi hoá – khử là: $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$ và $2\text{H}^+/\text{H}_2$.

II. Thế điện cực chuẩn

Câu 3 trang 71

Đề bài: Cho các cặp oxi hoá – khử sau: $\text{Na}^+/\text{Na}$, $\text{Mg}^{2+}/\text{Mg}$, $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$, $\text{Al}^{3+}/\text{Al}$, $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$, $\text{Ag}^+/\text{Ag}$, $2\text{H}^+/\text{H}_2$, $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$. Dựa vào Bảng 15.1, sắp xếp các cặp oxi hoá – khử trên theo chiều giảm dần tính khử của dạng khử.

Lời giải:

Nguyên tắc: Thế điện cực chuẩn $E^o$ càng nhỏ thì dạng khử có tính khử càng mạnh. Vậy sắp xếp các cặp theo $E^o$ tăng dần thì tính khử của dạng khử giảm dần.

Tra Bảng 15.1:

Sắp xếp theo chiều giảm dần tính khử của dạng khử:

$$\text{Na} > \text{Mg} > \text{Al} > \text{Zn} > \text{Fe} > \text{H}_2 > \text{Cu} > \text{Ag}$$

Hoạt động trang 72 – Nghiên cứu về chiều phản ứng giữa các cặp oxi hoá – khử

Đề bài: Xét hai phản ứng oxi hoá – khử sau:

$$\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu} \quad (1)$$

$$\text{Cu} + 2\text{Ag}^+ \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{Ag} \quad (2)$$

1. Dựa vào Bảng 15.1, so sánh thế điện cực chuẩn của các cặp: $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ với $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$; $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ với $\text{Ag}^+/\text{Ag}$.

2. Chỉ ra chất khử mạnh hơn và chất oxi hoá mạnh hơn trong mỗi phản ứng.

3. Rút ra nhận xét chung về chiều phản ứng.

Lời giải:

1. So sánh $E^o$:

• $E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} = -0{,}762$ V $<$ $E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0{,}340$ V.
• $E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0{,}340$ V $<$ $E^o_{\text{Ag}^+/\text{Ag}} = +0{,}799$ V.

2. Chất khử mạnh hơn – chất oxi hoá mạnh hơn:

• Phản ứng (1): Zn là chất khử mạnh hơn Cu; $\text{Cu}^{2+}$ là chất oxi hoá mạnh hơn $\text{Zn}^{2+}$.
• Phản ứng (2): Cu là chất khử mạnh hơn Ag; $\text{Ag}^+$ là chất oxi hoá mạnh hơn $\text{Cu}^{2+}$.

3. Nhận xét chung: Chất khử của cặp oxi hoá – khử có thế điện cực nhỏ hơn tác dụng với chất oxi hoá của cặp oxi hoá – khử có thế điện cực lớn hơn, tạo ra dạng oxi hoá và dạng khử tương ứng.

Câu 4 trang 72

Đề bài: Ở điều kiện chuẩn, kim loại M có thể tác dụng được với dung dịch acid ($\text{H}^+$), với nước khi giá trị thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá – khử kim loại $\text{M}^{n+}/\text{M}$ thoả mãn điều kiện nào?

Lời giải:

Áp dụng nguyên tắc: chất khử của cặp có $E^o$ nhỏ hơn tác dụng với chất oxi hoá của cặp có $E^o$ lớn hơn.

• Tác dụng với dung dịch acid ($\text{H}^+$): cặp $2\text{H}^+/\text{H}_2$ có $E^o = 0{,}000$ V.
  → M tác dụng được khi: $E^o_{\text{M}^{n+}/\text{M}} < 0{,}000$ V.
• Tác dụng với nước: cặp $2\text{H}_2\text{O}/(\text{H}_2 + 2\text{OH}^-)$ có $E^o = -0{,}414$ V (ở pH = 7).
  → M tác dụng được khi: $E^o_{\text{M}^{n+}/\text{M}} < -0{,}414$ V.

Câu 5 trang 72

Đề bài: Dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn ở Bảng 15.1, hãy viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra giữa các cặp oxi hoá – khử sau:

a) $\text{Ni}^{2+}/\text{Ni}$ và $2\text{H}^+/\text{H}_2$;

b) $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$ và $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$;

c) $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ và $\text{Au}^{3+}/\text{Au}$.

Lời giải:

Nguyên tắc: Chất khử của cặp có $E^o$ nhỏ hơn phản ứng với chất oxi hoá của cặp có $E^o$ lớn hơn.

a) $\text{Ni}^{2+}/\text{Ni}$ ($E^o = -0{,}257$ V) và $2\text{H}^+/\text{H}_2$ ($E^o = 0{,}000$ V):

$E^o_{\text{Ni}^{2+}/\text{Ni}} < E^o_{2\text{H}^+/\text{H}_2}$ → Ni là chất khử, $\text{H}^+$ là chất oxi hoá:

$$\text{Ni} + 2\text{H}^+ \longrightarrow \text{Ni}^{2+} + \text{H}_2\uparrow$$

b) $\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}$ ($E^o = -0{,}44$ V) và $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ ($E^o = +0{,}340$ V):

$E^o_{\text{Fe}^{2+}/\text{Fe}} < E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}}$ → Fe là chất khử, $\text{Cu}^{2+}$ là chất oxi hoá:

$$\text{Fe} + \text{Cu}^{2+} \longrightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{Cu}$$

c) $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ ($E^o = -0{,}762$ V) và $\text{Au}^{3+}/\text{Au}$ ($E^o = +1{,}52$ V):

$E^o_{\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}} < E^o_{\text{Au}^{3+}/\text{Au}}$ → Zn là chất khử, $\text{Au}^{3+}$ là chất oxi hoá. Cân bằng electron (Zn cho 2e, Au³⁺ nhận 3e → hệ số 3 và 2):

$$3\text{Zn} + 2\text{Au}^{3+} \longrightarrow 3\text{Zn}^{2+} + 2\text{Au}$$

III. Pin điện hoá

Hoạt động trang 73 – Phản ứng oxi hoá – khử và dòng điện

Đề bài: Xét phản ứng: $\text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu}$.

• Thí nghiệm 1: Nhúng thanh Zn vào dung dịch $\text{CuSO}_4$ → thấy đồng đỏ bám trên thanh Zn.
• Thí nghiệm 2: Lắp hệ điện hoá gồm 2 điện cực $\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}$ và $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}$ → bóng đèn sáng.

1. Viết quá trình oxi hoá, quá trình khử trong mỗi thí nghiệm.

2. Trong thí nghiệm nào thì quá trình oxi hoá và quá trình khử cùng xảy ra trên bề mặt của một thanh kim loại?

3. Tại sao trong thí nghiệm 2 bóng đèn lại sáng?

Lời giải:

1. Quá trình oxi hoá và khử:

Cả hai thí nghiệm đều xảy ra:

• Quá trình oxi hoá: $\text{Zn} \longrightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{e}$.
• Quá trình khử: $\text{Cu}^{2+} + 2\text{e} \longrightarrow \text{Cu}$.

2. Trong thí nghiệm 1, cả 2 quá trình oxi hoá và khử cùng xảy ra trên bề mặt thanh Zn (do Zn tiếp xúc trực tiếp với $\text{Cu}^{2+}$).

3. Trong thí nghiệm 2, hai quá trình xảy ra ở hai điện cực khác nhau. Electron di chuyển từ thanh Zn (nơi xảy ra oxi hoá) qua dây dẫn sang thanh Cu (nơi xảy ra khử) → tạo ra dòng điện → bóng đèn sáng.

Câu 6 trang 75

Đề bài: Một pin Galvani được thiết lập ở điều kiện chuẩn theo sơ đồ Hình 15.10 (pin gồm điện cực Cu nhúng trong $\text{CuSO}_4$ 1 M và điện cực Ag nhúng trong $\text{AgNO}_3$ 1 M, vôn kế hiển thị 0,459 V). Dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn ở Bảng 15.1:

a) Xác định anode, cathode và viết các quá trình xảy ra ở anode, cathode. Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra trong pin.

b) Tính sức điện động chuẩn của pin và so sánh với giá trị hiển thị trên vôn kế.

c) Xác định chiều của dòng electron chạy qua dây dẫn.

Lời giải:

Tra Bảng 15.1: $E^o_{\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}} = +0{,}340$ V; $E^o_{\text{Ag}^+/\text{Ag}} = +0{,}799$ V.

a) Xác định anode, cathode:

Cặp có $E^o$ nhỏ hơn là anode (cực âm) → Cu là anode. Cặp có $E^o$ lớn hơn là cathode (cực dương) → Ag là cathode.

• Tại anode (Cu) – quá trình oxi hoá:

$$\text{Cu} \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{e}$$

• Tại cathode (Ag) – quá trình khử:

$$\text{Ag}^+ + 1\text{e} \longrightarrow \text{Ag}$$

• Phương trình hoá học tổng của phản ứng trong pin (nhân hệ số cân bằng electron):

$$\text{Cu} + 2\text{Ag}^+ \longrightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{Ag}$$

b) Sức điện động chuẩn của pin:

$$E^o_{\text{pin}} = E^o_{\text{cathode}} – E^o_{\text{anode}} = 0{,}799 – 0{,}340 = 0{,}459\ \text{V}$$

→ Trùng khớp với giá trị 0,459 V hiển thị trên vôn kế.

c) Chiều của dòng electron:

Electron di chuyển từ anode (Cu) qua dây dẫn sang cathode (Ag).

IV. Một số loại pin khác

Câu 7 trang 77

Đề bài: Phân loại các loại pin sử dụng trong gia đình và đề xuất cách thu gom, xử lí khi hết hạn sử dụng để bảo vệ môi trường.

Lời giải:

Phân loại pin sử dụng trong gia đình:

Cách thu gom và xử lí pin khi hết hạn:

• Không vứt pin chung với rác sinh hoạt vì các chất trong pin (chì, thuỷ ngân, cadmium,…) gây ô nhiễm đất và nước.
• Thu gom riêng pin đã qua sử dụng vào hộp/thùng dành riêng cho pin.
• Đem đến điểm thu gom pin thải tại siêu thị, cửa hàng điện máy hoặc các điểm thu gom công cộng.
• Không đốt hoặc phá vỡ vỏ pin để tránh rò rỉ hoá chất độc hại và nguy cơ cháy nổ.
• Ưu tiên sử dụng pin sạc thay cho pin dùng một lần để giảm lượng pin thải ra môi trường.

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