Dãy điện hóa kim loại

DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI

I – KHÁI NIỆM VỀ CẶP OXI HÓA – KHỬ CỦA KIM LOẠI

Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử. Một cặp oxi hóa – khử được biểu diễn dưới dạng oxi hóa/khử (Mⁿ⁺/M). 
Ví dụ: Cu²⁺ và Cu tạo thành một cặp oxi hóa – khử Cu²⁺/Cu

II – PIN ĐIỆN HÓA

1. Khái niệm về pin điện hóa, suất điện động và thế điện cực
- Suất điện động của pin (E) là hiệu của thế điện cực dương (E₍₊₎) và điện cực âm (E_(-)). Điện cực dương là điện cực có thế lớn hơn và suất điện động của pin luôn là số dương

E = E₍₊₎ – E_(-)

- Suất điện động chuẩn của pin (E^o) là suất điện động khi nồng độ ion kim loại ở điện cực đều bằng 1M (ở 25^oC)

E^o = E^o₍₊₎ – E^o_(-) hoặc E^o = E^o_catot – E^o_anot

- Ví dụ E^o = E^oCu²⁺/Cu – E^oZn²⁺/Zn gọi là suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Cu

2. Cơ chế phát sinh dòng điện trong pin điện hóa

 Giải thích hiện tượng của thí nghiệm:

- Điện cực Zn bị oxi hóa: Zn → Zn²⁺ + 2e (sự mất electron xảy ra trên bề mặt lá Zn và lá Zn trở thành nguồn electron nên đóng vai trò cực âm, các electron theo dây dẫn đến cực Cu). Do vậy cực Zn bị ăn mòn 
- Trong cốc đựng dung dịch CuSO₄, các ion Cu²⁺ di chuyển đến lá Cu, tại đây chúng bị khử thành Cu kim loại bám trên cực đồng: Cu²⁺ + 2e → Cu. Nồng độ Cu²⁺ trong dung dịch giảm dần, khiến cho màu xanh trong dung dịch nhạt dần 
- Trong quá trình hoạt động của pin điện hóa Zn – Cu, nồng độ ion Zn²⁺ trong cốc đựng dung dịch ZnSO₄ tăng dần, nồng độ ion Cu²⁺ trong cốc kia giảm dần. Đến một lúc nào đó, dòng electron trong dây dẫn không còn, dòng điện tự ngắt 
- Để duy trì được dòng điện trong quá trình hoạt động của pin điện hóa, người ta dùng cầu muối. Vai trò của cầu muối là trung hòa điện tích của 2 dung dịch: các ion dương Na⁺ hoặc K⁺ và Zn²⁺ di chuyển qua cầu muối đến cốc đựng dung dịch CuSO₄. Ngược lại , các ion âm SO₄^2- hoặc NO₃- di chuyển qua cầu muối đến dung dịch ZnSO₄ 
- Ở mạch ngoài (dây dẫn), dòng electron đi từ cực Zn sang cực Cu còn dòng điện đi từ cực Cu sang cực Zn. Vì thế điện cực Zn được gọi là anot (nơi xảy ra sự oxi hóa), điện cực Cu được gọi là catot (nơi xảy ra sự khử). Vậy trong pin điện hóa, anot là cực âm còn catot là cực dương 
- Phương trình hóa học của phản ứng xảy ra trong pin điện hóa Zn – Cu: quy tắc α

Cu²⁺ + Zn → Zn²⁺ + Cu

=> Kết luận:

- Có sự biến đổi nồng độ của các ion Cu²⁺ và Zn²⁺ trong quá trình hoạt động của pin 
- Năng lượng của phản ứng oxi hóa – khử trong pin điện hóa đã sinh ra dòng điện một chiều 
- Những yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động của pin điện hóa như: nhiệt độ, nồng độ của ion kim loại, bản chất của kim loại làm điện cực

III – THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI

1. Điện cực hiđro chuẩn

Cấu tạo của điện cực hiđro chuẩn: gồm một thanh platin (Pt) được đặt trong một dung dịch axit có nồng độ ion H⁺ là 1M (pH = 0). Bề mặt điện cực hấp thụ khi hiđro, được thổi liên tục vào dung dịch dưới áp suất 1 atm. Như vậy trên bề mặt điện cực hiđro xảy ra cân bằng oxi hóa – khử của cặp oxi hóa – khử 2H⁺/H₂ 

Quy ước rằng: thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn bằng 0,00 V ở mọi nhiệt độ, tức là:

E^o_2H⁺_/H = 0,00 V

2. Thế điện cực chuẩn của kim loại

Thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại cần đoc được chấp nhận bằng bằng suất điện động của pin tạo bởi điện cực hiđro chuẩn và điện cực chuẩn của kim loại cần đo. Có 2 trường hợp xảy ra với giá trị của thế điện cực chuẩn: 
- Thế điện cực chuẩn của cặp Mⁿ⁺/M là số dương nếu khả năng oxi hóa của ion Mⁿ⁺ trong nửa pin Mⁿ⁺/M là mạnh hơn ion H⁺ trong nửa pin 2H⁺/H₂ 
- Thế điện cực chuẩn của cặp Mⁿ⁺/M là số âm nếu khả năng oxi hóa của ion Mⁿ⁺ trong nửa pin Mⁿ⁺/M là yếu hơn ion H⁺trong nửa pin 2H⁺/H₂ 
Ví dụ: Thế điện cực chuẩn của các cặp kim loại: E^o_Zn²⁺_/Zn = – 0,76 V ; E^o_Ag⁺_/Ag = + 0,80 V

IV – DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI

Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại còn được gọi là dãy thế oxi hóa – khử chuẩn của kim loại, hoặc dãy thế khử chuẩn của kim loại. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, người ta dùng tên dãy sao cho phù hợp

V – Ý NGHĨA CỦA DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI

1. So sánh tính oxi hóa – khử

Trong dung môi nước, thế điện cực chuẩn của kim loại E^o_Mⁿ⁺_/M càng lớn thì tính oxi hóa của cation Mⁿ⁺ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại

2. Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử

Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử cũng là sự tìm hiểu về phản ứng đó trong điều kiện tự nhiên có xảy ra hay không. Có một số phương pháp xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử:

a) Phương pháp 1 (phương pháp định tính):

- Kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn khử được cation kim loại của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn (nói cách khác, cation kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn có thể oxi hóa được kim loại trong cặp có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn) 
- Ví dụ: ion Pb²⁺ có oxi hóa được Zn hay không trong phản ứng: Pb²⁺(dd) + Zn(r) → Pb(r) + Zn²⁺(dd) 
Nếu phản ứng hóa học trên xảy ra giữa 2 cặp oxi hóa – khử Pb²⁺/Pb và Zn²⁺/Zn, ta viết các cặp oxi hóa – khử trên theo trình tự: cặp nào có giá trị E^o lớn hơn ở bên phải, cặp nào có giá trị E^o nhỏ hơn ở bên trái. 

Theo quy tắc α: ion Pb²⁺ oxi hóa được Zn, sản phẩm là những chất oxi hóa (Zn²⁺) và chất khử (Pb) yếu hơn. Phản ứng trên có xảy ra 
- Kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn âm khử được ion hiđro của dung dịch axit (nói cách khác, cation H⁺ trong cặp 2H⁺/H₂ có thể oxi hóa được kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn âm) 

b) Phương pháp 2 (phương pháp định lượng):

Quay lại ví dụ ion Pb²⁺ có oxi hóa được Zn hay không trong phản ứng: Pb²⁺(dd) + Zn(r) → Pb(r) + Zn²⁺(dd). Phản ứng hóa học trên được tạo nên từ hai nửa phản ứng: 
- Nửa phản ứng oxi hóa: Zn → Zn²⁺ + 2e, ta có E^o_Zn²⁺_/Zn = -0,76 V
- Nửa phản ứng khử: Pb²⁺ + 2e → Pb, ta có E^o_Pb²⁺_/Pb = -0,13 V 
Thế oxi hóa – khử của cả phản ứng (E^o_pư) được tính theo công thức: E^o_pư = E^o_Pb²⁺_/Pb – E^o_Zn²⁺_/Zn = -0,13 – (– 0,76) = +0,63 V 
E^o của phản ứng oxi hóa – khử là số dương (E^o_pư > 0), kết luận là phản ứng trên có xảy ra

3. Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hóa

E^o_pin = E^o₍₊₎ – E^o_(-)

Ví dụ: suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Cu là: E^o_pin = E^o_Cu²⁺_/Cu – E^o_Zn²⁺_/Zn = 0,34 – (–0,76) = 1,10 V

4. Xác định thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử

Ví dụ: Biết suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Ag là 1,56 V và thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử Ag⁺/Ag là +0,80 V. Hãy xác định thế điện cực chuẩn của cặp Zn²⁺/Zn Ta có E^o_pin = E^o_Ag⁺_/Ag – E^o_Zn²⁺_/Zn → E^o_Zn²⁺_/Zn = E^o_Ag⁺_/Ag – E^o_pin = +0,80 – 1,56 = –0,76 V

BÀI TẬP ÁP DỤNG

Câu 1: Muối Fe²⁺ làm mất màu dung dịch KMnO₄ trong môi trường axít tạo ra ion Fe³⁺. Còn ion Fe³⁺ tác dụng với  tạo ra I₂ và Fe²⁺ . Sắp xếp các chất oxi hoá Fe³⁺, I₂ và MnO₄^—  theo thứ tự mạnh dần?

     A. Fe³⁺ < I₂ < MnO₄^—   .                                       B. I₂  <  MnO₄^—   < Fe³⁺.          

     C. I₂  < MnO₄^—   < Fe³⁺  .                                      D. MnO₄^—  < Fe³⁺  < I₂ .

Câu 2: Cho biết các phản ứng xảy ra sau:

              2FeBr₂  +  Br₂   →  2FeBr₃

               2NaBr  + Cl₂   → NaCl  +  Br₂

Phát biểu đúng là:

A. Tính khử của mạnh hơn .                            B. Tính oxi hoá của Br₂ mạnh hơn Cl₂.

C. Tính khử của mạnh hơn Fe²⁺.                   D. Tính oxi hoá của Cl₂ mạnh hơn của Fe³⁺.

Câu 3: Phản ứng nào sau đây chứng tỏ Fe²⁺ có tính khử yếu hơn so với Cu?

     A. Fe + Cu²⁺ →  Fe²⁺ + Cu .                               B. Fe²⁺ + Cu  →  Cu²⁺  + Fe.  

     C. 2Fe³⁺ + Cu  →  2Fe²⁺ + Cu²⁺.                          D. Cu²⁺ + 2Fe²⁺  →  2Fe³⁺  + Cu.

Câu 4: Khẳng định nào sau đây là đúng ?

     (1). Cu có thể tan trong dung dịch Fe₂(SO₄)₃ .

     (2). Hỗn hợp gồm Cu, Fe₂O₃ , Fe₃O₄ có số mol Cu bằng  ½  tổng số mol Fe₂O₃ và Fe₃O₄ có thể tan hết trong dung dịch HCl.

     (3). Dung dịch AgNO₃ không tác dụng được với dung dịch Fe(NO₃)₂.

     (4). Cặp oxi hóa khử MnO₄^—/Mn²⁺ có thế điện cực lớn hơn cặp Fe³⁺/Fe²⁺          

     A. Tất cả đều đúng.      B. (1), (2), (4).                 C. (1), (2).                     D. (1), (3).

Câu 5:  Cho các kim loại: Fe, Cu, Al, Ni và các dung dịch: HCl, FeCl₂, FeCl₃, AgNO₃. Cho từng kim loại vào từng dung dịch muối , có bao nhiêu trường hợp xảy ra phản ứng ?

      A.16.                             B. 10.                               C. 12.                            D. 9.

Câu 6: Dùng phản ứng của kim loại với dung dịch muối không thể chứng minh

     A. Cu có tính khử mạnh hơn Ag.                         B. Cu²⁺có tính oxi hóa mạnh hơn Zn²⁺.

     C. Fe³⁺ có tính oxi hóa mạnh hơn Fe²⁺.            D. K có tính khử mạnh hơn Ca.

Câu 7: Cho một số giá trị thế điện cực chuẩn  = -2,37V; = -0,76V; = 0,13V;  = + 0,34V. Cho biết pin điện hóa chuẩn tạo ra từ cặp nào có suất điện động nhỏ nhất?      

     A. Mg-Cu.                    B. Zn-Pb.                         C. Pb-Cu.                      D. Zn-Cu.

Câu 8: Cho 2 phương trình ion rút gọn

     M²⁺  + X  →  M   +  X²⁺

     M + 2X³⁺  → M²⁺ +2X²⁺

Nhận xét nào sau đây là đúng?                                 

     A. Tính khử: X  > X²⁺ >M.                                   B. Tính khử: X²⁺ > M  > X.

     C. Tính oxi hóa: M²⁺ > X³⁺> X²⁺.                         D. Tính oxi hóa: X³⁺ > M²⁺ > X²⁺.

Câu 9: Cho  = + 0,8V;  = - 0,13V;  = - 1,18V. Phản ứng nào sau đây xảy ra?

     A. V²⁺  + 2Ag  → V  +2Ag⁺.                               B. V²⁺  + Pb  → V  + Pb²⁺.     

     C. Pb²⁺  + 2Ag⁺  →  Pb  +2Ag.                            D. Pb  + 2Ag⁺  →  Pb²⁺ +2Ag.

Câu 10: Cho các phản ứng:

     K₂Cr₂O₇  +  14HBr  →  3Br₂ + 2KBr  +  2CrBr₃  +  7H₂O

     Br₂  +2NaI  →  2NaBr  + I₂

Khẳng định nào sau đây là đúng?

     A. Tính oxi hoá: I₂  >  .                            B. Tính khử: Cr³⁺  >  .

   C. Tính khử:   > Cr³⁺.                                D. Tính oxi hoá: I₂  > Br₂.

ĐÁP ÁN