Giải SGK Hoá học 12 Bài 15. Thế điện cực và nguồn điện hóa học

Pin điện hoá là nguồn năng lượng được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị như đèn pin, điện thoại, laptop, máy tính cầm tay, đồng hồ, xe đạp điện, xe máy điện, ô tô, máy bay không người lái.... Pin điện hoá có cấu tạo như thế nào? Phản ứng oxi hóa - 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?

Nhúng một thanh kẽm vào cốc đựng dung dịch copper(II) sulfate (Hình 15.2a), sau một thời gian nhấc thanh kẽm ra thì thấy xuất hiện một lớp đồng màu đỏ bám vào thanh kẽm (Hình 15.2b).

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 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 trên như sau: dạng oxi hoá/ dạng khử.

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

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.

Cho các cặp oxi hoá – khử sau: Na$^{+}$/Na; Mg$^{2+}$/Mg; Zn$^{2+}$/Zn; Al$^{3+}$/Al; Fe$^{2+}$/Fe; Ag$^{+}$/Ag; 2H$^{+}$/H$_{2}$; Cu$^{2+}$/Cu.

Dựa vào Bảng 15.1, sắp xếp các cặp oxi hoá – khử trên theo chiều giảm dần tính khử của dạng khử.

Nghiên cứu về chiều phản ứng giữa các cặp oxi hoá – khử

Xét hai phản ứng oxi hoá – khử sau:

Zn + Cu$^{2+}$ → Zn$^{2+}$ + Cu (1)

Cu + 2Ag$^{+}$ → Cu$^{2+}$ + 2Ag (2)

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

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

3. Dựa vào giá trị thế điện cực chuẩn, rút ra nhận xét chung về chiều phản ứng giữa các cặp oxi hoá – khử ở trên.

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) Ni$^{2+}$/Ni và 2H$^{+}$/H$_{2}$;

b) Fe$^{2+}$/Fe và Cu$^{2+}$/Cu;

c) Zn$^{2+}$/Zn và Au$^{3+}$/Au.

Phản ứng oxi hoá – khử luôn kèm theo sự chuyển electron từ chất khử sang chất oxi hoá. Nếu các quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hoá qua dây dẫn thì năng lượng của phản ứng hoá học sẽ chuyển thành năng lượng điện.

Xét phản ứng oxi hoá – khử:

Phản ứng hoá học trên xảy ra trong hai thí nghiệm sau:

Thí nghiệm 1: Cho Zn tiếp xúc trực tiếp với ion Cu$^{2+}$ bằng cách nhúng thanh Zn vào dung dịch CuSO$_{4}$ (Hình 15.6), thấy xuất hiện kim loại đồng màu đỏ bám trên bề mặt thanh kẽm.

Thí nghiệm 2: Lắp hệ điện hoá gồm hai điện cực Zn$^{2+}$/Zn và Cu$^{2+}$/Cu như Hình 15.7, thấy bóng đèn sáng.

Thực hiện các yêu cầu sau:

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?

Một pin Galvani được thiết lập ở điều kiện chuẩn theo sơ đồ Hình 15.10.

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.

Chuẩn bị:

Hoá chất: các thanh kim loại: kẽm, đồng, nhôm, sắt; quả chanh (hoặc quả cam, quả chuối, củ khoai tây,...).

Dụng cụ: dây điện có sẵn kẹp cá sấu hai đầu, vôn kế.

Tiến hành:

- Chọn hai điện cực là hai kim loại khác nhau, ví dụ như thanh kẽm và thanh đồng.

- Cắm hai thanh kim loại vào quả chanh.

- Nối cực âm của vôn kế với thanh kẽm và cực dương của vôn kế với thanh đồng.

Chú ý: Không để hai thanh kim loại tiếp xúc với nhau.

Thực hiện yêu cầu sau:

Đo sức điện động của pin đã lắp ráp theo Hình 15.11 a.

(Lưu ý: Có thể mắc nối tiếp các pin như minh hoạ ở Hình 15.11 b).

- Lắp ráp được một số loại pin điện hoá đơn giản.

- Phân loại pin phục vụ cho nhu cầu sử dụng, tái chế và bảo vệ môi trường.