Bài 15. Thế điện cực và nguồn điện hóa học trang 67, 68, 69 Hóa 12 Kết nối tri thức: Pin điện hoá là nguồn năng lượng được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị như đèn pin, ...

Câu hỏi trang 67 Mở đầu

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 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?

Nêu cấu tạo, vai trò của phản ứng oxi hóa – khử và cách lắp ráp pin điện hóa.

- Cấu tạo: Pin gồm 2 điện cực có thế điện cực khác nhau, thường được ghép với nhau qua cầu muối.

- Vai trò của phản ứng oxi hóa – khử: tạo ra một dòng electron từ anode đến cathode qua một dây nối, tạo ra dòng điện.

- Cách lắp pin điện hóa đơn giản:

+ Dụng cụ: thanh kim loại đồng và kẽm; vôn kế; 2 dây dẫn.

+ Nguyên liệu: 1 quả khoai tây tươi.

+ Cách tiến hành:

Bước 1: Cắm 2 thanh kim loại vào quả khoai tây và không để chúng chạm vào nhau.

Bước 2: Nối cực âm của vôn kế với thanh kẽm và cực dương của vôn kế với thanh đồng.

Câu hỏi trang 67 Hoạt động

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 Cu²⁺. 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.

Dạng oxi hoá (Mⁿ⁺) và dạng khử (M) của cùng một kim loại tạo nên cặp oxi hoá – khử Mⁿ⁺/M.

1. Phương trình hoá học dạng ion rút gọn: \({\rm{Zn}} + {\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}} \to {\rm{Z}}{{\rm{n}}^{{\rm{2 + }}}} + {\rm{Cu}}\)

2. Quá trình oxi hóa Zn: \({\rm{Zn }} \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} {\rm{ Z}}{{\rm{n}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ }} + {\rm{ 2e}}\)

Dạng khử Dạng oxi hóa

Quá trình khử Cu²⁺: \({\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{ }} + {\rm{ 2e }} \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} {\rm{ Cu }}\)

Dạng oxi hóa Dạng khử

3. Dạng oxi hoá và dạng khử của kẽm và đồng: Zn²⁺/Zn; Cu²⁺/Cu.

Câu hỏi trang 68 Câu hỏi 1

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

Dạng oxi hoá Mⁿ⁺ và dạng khử M của cùng một kim loại được gọi là cặp oxi hoá - khử của kim loại, kí hiệu là Mⁿ⁺/M.

\({{\rm{M}}^{{\rm{n + }}}}{\rm{ + ne }} \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} {\rm{ M}}\)

Dạng oxi hóa Dạng khử

Câu hỏi trang 68 Câu hỏi 2

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.

Dạng oxi hoá Mⁿ⁺ và dạng khử M của cùng một kim loại được gọi là cặp oxi hoá - khử của kim loại, kí hiệu là Mⁿ⁺/M.

\({{\rm{M}}^{{\rm{n + }}}}{\rm{ + ne }} \mathbin{\lower.3ex\hbox{$\buildrel\textstyle\rightarrow\over{\smash{\leftarrow}\vphantom{_{\vbox to.5ex{\vss}}}}$}} {\rm{ M}}\)

Dạng oxi hóa Dạng khử

a) Phương trình hoá học của phản ứng ở dạng ion thu gọn: \({\rm{Fe}} + 2{{\rm{H}}^{\rm{ + }}} \to {\rm{F}}{{\rm{e}}^{2 + }} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}\)

b) Các cặp oxi hoá – khử trong phản ứng trên: Fe²⁺/Fe; \({\rm{2}}{{\rm{H}}^{\rm{ + }}}{\rm{/}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}\).

Câu hỏi trang 72 Hoạt động

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

Xét hai phản ứng oxi hoá – khử sau:

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu (1)

Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag (2)

1. Dựa vào Bảng 15.1, so sánh thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá – khử: Zn²⁺/Zn với Cu²⁺/Cu; Cu²⁺/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.

1. Mỗi điện cực ở điều kiện chuẩn có một đại lượng đặc trưng về điện thế, gọi là thế điện cực chuẩn.

2. Giữa hai cặp oxi hóa - khử, cặp có giá trị thế điện cực chuẩn nhỏ hơn thì dạng khử có tính khử mạnh hơn, còn dạng oxi hóa có tính oxi hóa yếu hơn và ngược lại.

3. Chiều phản ứng: 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.

1. \({\rm{E}}_{Z{n^{2 + }}/Zn}^{\rm{0}} < {\rm{E}}_{C{u^{2 + }}/Cu}^{\rm{0}}\); \({\rm{E}}_{C{u^{2 + }}/Cu}^{\rm{0}} < {\rm{E}}_{A{g^ + }/Ag}^{\rm{0}}\)

2. - Trong phản ứng (1), vì \({\rm{E}}_{Z{n^{2 + }}/Zn}^{\rm{0}} < {\rm{E}}_{C{u^{2 + }}/Cu}^{\rm{0}}\); nên:

Chất khử mạnh hơn là Zn.

Chất oxi hóa mạnh hơn là Cu²⁺.

- Trong phản ứng (2), vì \({\rm{E}}_{C{u^{2 + }}/Cu}^{\rm{0}} < {\rm{E}}_{A{g^ + }/Ag}^{\rm{0}}\)nên:

Chất khử mạnh hơn là Cu.

Chất oxi hóa mạnh hơn là Ag⁺.

3. 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 hỏi trang 72 Câu hỏi 1

Ở điều kiện chuẩn, kim loại M có thể tác dụng được với dung dịch acid (H⁺), với nước khi giá trị thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá – khử kim loại Mⁿ⁺/M thoả mãn điều kiện nào?

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.

Kim loại M có thể tác dụng với dung dịch acid (H⁺) khi \({\rm{E}}_{{M^{n + }}/M}^{\rm{0}} < {\rm{E}}_{2{H^ + }/{H_2}}^{\rm{0}}\)( Với \({\rm{E}}_{2{H^ + }/{H_2}}^{\rm{0}} = 0{\rm{ (V)}}\)).

Kim loại M có thể tác dụng với nước khi \({\rm{E}}_{{M^{n + }}/M}^{\rm{0}} < {\rm{E}}_{2{H^ + }/{H_2}O}^{\rm{0}}\) ( Với \({\rm{E}}_{{H_2}/{H_2}{\rm{O}}}^{\rm{0}} = - 0,414{\rm{ (V)}}\)).

Câu hỏi trang 72 Câu hỏi 2

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) Ni²⁺/Ni và 2H⁺/H₂;

b) Fe²⁺/Fe và Cu²⁺/Cu;

c) Zn²⁺/Zn và Au³⁺/Au.

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.

a) \({\rm{Ni}} + 2{{\rm{H}}^{\rm{ + }}} \to {\rm{N}}{{\rm{i}}^{2 + }} + {{\rm{H}}_{\rm{2}}}\)

b) \({\rm{Fe}} + {\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}} \to {\rm{F}}{{\rm{e}}^{2 + }} + {\rm{Cu}}\)

c) \({\rm{3Zn}} + 2{\rm{A}}{{\rm{u}}^{{\rm{3 + }}}} \to 3{\rm{Z}}{{\rm{n}}^{2 + }} + 2{\rm{Au}}\)

Câu hỏi trang 73

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 Cu²⁺ bằng cách nhúng thanh Zn vào dung dịch CuSO₄ (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 Zn²⁺/Zn và Cu²⁺/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?

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.

1. Ở hai thí nghiệm trên:

- Quá trình oxi hóa: \({\rm{Zn }} \to {\rm{ Z}}{{\rm{n}}^{{\rm{2 + }}}} + {\rm{2e}}\)

- Quá trình oxi khử: \({\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}} + {\rm{2e}} \to {\rm{Cu}}\)

2. Trong thí nghiệm nào 1 quá trình oxi hoá và quá trình khử cùng xảy ra trên bề mặt của một thanh kim loại.

3. Khi xảy ra phản ứng oxi hoá – khử, tạo ra sự truyền electron từ chất khử (Zn) sang chất oxi hoá (Cu²⁺) qua dây dẫn, cầu muối cho phép các ion di chuyển qua, do đó mạch điện đóng, tạo ra dòng điệnnên bóng đèn sáng.

Câu hỏi trang 75

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.

Pin Galvani là pin điện hoá có cấu tạo gồm hai điện cực, mỗi điện cực ứng với một cặp oxi hoá – khử và thường nối với nhau qua cầu muối.

Khi pin điện hoá hoạt động: ở anode (cực âm) xảy ra quá trình oxi hoá; ở cathode (cực dương) xảy ra quá trình khử.

Sức điện động chuẩn của pin điện bằng thế điện cực chuẩn của cực dương (cathode) trừ thế điện cực chuẩn của cực âm (anode): \({\rm{E}}_{{\rm{pin}}}^{\rm{o}} = {\rm{E}}_{{\rm{cathode}}}^{\rm{0}} - {\rm{E}}_{{\rm{anode}}}^{\rm{0}}\)

a) - Anode: Cu; Cathode: Ag.

- Quá trình oxi hóa xảy ra ở anode: \({\rm{Cu }} \to {\rm{ C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}} + {\rm{2e}}\)

Quá trình khử xảy ra ở cathode: \({\rm{A}}{{\rm{g}}^{\rm{ + }}} + {\rm{1e}} \to {\rm{Ag}}\)

- Phản ứng hóa học xảy ra trong pin: \({\rm{Cu }} + {\rm{ }}2{\rm{A}}{{\rm{g}}^ + } \to {\rm{ C}}{{\rm{u}}^{2 + }} + {\rm{ }}2{\rm{Ag}}\)

b) \({\rm{E}}_{{\rm{pin}}}^{\rm{o}} = {\rm{E}}_{{\rm{A}}{{\rm{g}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{/Ag}}}^{\rm{o}} - {\rm{E}}_{{\rm{C}}{{\rm{u}}^{{\rm{2 + }}}}{\rm{/Cu}}}^{\rm{o}} = 0,799 - 0,34 = 0,459{\rm{ (V)}}\)

b) Sức điện động chuẩn của pin bằng với giá trị hiển thị trên vôn kế.

c) Chiều của dòng electron: từ anode (Cu) qua dây dẫn đến cathode (Ag).

Câu hỏi trang 77

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

Phân loại pin theo thông tin trang 76 và 77 sách giáo khoa rồi đề xuất cách thu gom, xử lý khi pin hết hạn sử dụng.

- Phân loại pin:

+ Acquy: pin của ô tô, xe máy, xe đạp điện,…

+ Pin mặt trời.

+ Pin nhiên liệu.

+ Pin lithium – ion: pin laptop, điện thoại, máy quay phim,…

+ Pin khô: pin trong các thiết bị đồ chơi, điều khiển.

- Khi pin hết hạn:

+ Thu gom và phân loại pin vào các chai, lọ.

+ Đưa đến nơi thu gom rác thải điện tử hoặc thu gom pin.