Bài 15. Thế điện cực và nguồn điện hóa học
1. Thế điện cực chuẩn
a) Định nghĩa
Thế điện cực chuẩn (E°): Hiệu điện thế giữa điện cực kim loại và dung dịch ion của nó ở điều kiện chuẩn (25°C, 1M, 1 atm).
Quy ước: E°(H⁺/H₂) = 0V (điện cực hydro chuẩn)
b) Dãy thế điện cực chuẩn
| Cặp oxi hóa - khử | E° (V) |
|---|---|
| Li⁺/Li | -3.05 |
| K⁺/K | -2.93 |
| Ca²⁺/Ca | -2.87 |
| Na⁺/Na | -2.71 |
| Mg²⁺/Mg | -2.37 |
| Al³⁺/Al | -1.66 |
| Zn²⁺/Zn | -0.76 |
| Fe²⁺/Fe | -0.44 |
| Ni²⁺/Ni | -0.25 |
| Sn²⁺/Sn | -0.14 |
| Pb²⁺/Pb | -0.13 |
| H⁺/H₂ | 0.00 |
| Cu²⁺/Cu | +0.34 |
| Fe³⁺/Fe²⁺ | +0.77 |
| Ag⁺/Ag | +0.80 |
| Au³⁺/Au | +1.50 |
c) Ý nghĩa
- E° càng âm: Kim loại càng hoạt động, dễ bị oxi hóa
- E° càng dương: Kim loại càng kém hoạt động, khó bị oxi hóa
- Dự đoán chiều phản ứng oxi hóa - khử
2. Pin điện hóa học
a) Định nghĩa
Pin điện hóa học: Thiết bị chuyển hóa năng lượng hóa học thành điện năng thông qua phản ứng oxi hóa - khử tự diễn ra.
b) Cấu tạo pin Zn-Cu (pin Daniell)
Cực âm (Anode): Zn | Zn²⁺ (E° = -0.76V)
Phản ứng: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (oxi hóa)
Cực dương (Cathode): Cu | Cu²⁺ (E° = +0.34V)
Phản ứng: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (khử)
Phản ứng chung:
Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu
Suất điện động (E°pin):
E°pin = E°(cathode) - E°(anode) = 0.34 - (-0.76) = 1.10V
c) Nguyên tắc hoạt động
- Cực âm: Kim loại hoạt động hơn, bị oxi hóa
- Cực dương: Kim loại kém hoạt động hơn, ion bị khử
- Electron di chuyển từ cực âm → cực dương (mạch ngoài)
- Ion di chuyển trong dung dịch (mạch trong)
d) Ký hiệu pin
(-) Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu (+)
- | : Ranh giới pha
- || : Cầu muối
3. Các loại pin thực tế
a) Pin khô (Pin Leclanché)
Cực âm: Zn
Cực dương: Than chì (C) + MnO₂
Chất điện ly: NH₄Cl, ZnCl₂
Điện áp: 1.5V
Ứng dụng: Đồ chơi, đèn pin, remote
b) Pin kiềm (Alkaline)
Cực âm: Zn
Cực dương: MnO₂
Chất điện ly: KOH
Điện áp: 1.5V
Ưu điểm: Dung lượng cao hơn pin khô, tuổi thọ dài
c) Pin lithium
Cực âm: Li
Cực dương: MnO₂, FeS₂
Điện áp: 3V
Ưu điểm: Nhẹ, điện áp cao, tuổi thọ lâu
Ứng dụng: Máy ảnh, đồng hồ, thiết bị y tế
d) Ắc quy chì
Cực âm: Pb
Cực dương: PbO₂
Chất điện ly: H₂SO₄ 37%
Điện áp: 2V/cell (12V = 6 cells)
Phản ứng phóng điện:
Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O
Ưu điểm: Sạc lại được, dòng điện lớn
Ứng dụng: Xe máy, ô tô, UPS
e) Pin nhiên liệu (Fuel cell)
Nguyên liệu: H₂ + O₂
Sản phẩm: H₂O + Điện năng
Phản ứng:
2H₂ + O₂ → 2H₂O
Ưu điểm: Sạch, hiệu suất cao (60%)
Ứng dụng: Xe điện, tàu vũ trụ
Dạng 1: Tính suất điện động của pin
Phương pháp:
- Xác định cực âm (E° nhỏ hơn)
- Xác định cực dương (E° lớn hơn)
- E°pin = E°(cathode) - E°(anode)
a) Xác định cực:
Cực âm (Anode): Zn (E° nhỏ hơn = -0.76V)
Cực dương (Cathode): Ag (E° lớn hơn = +0.80V)
b) Phản ứng:
Cực âm: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
Cực dương: 2Ag⁺ + 2e⁻ → 2Ag
Phản ứng chung:
Zn + 2Ag⁺ → Zn²⁺ + 2Ag
c) Tính E°pin:
E°pin = E°(cathode) - E°(anode)
E°pin = 0.80 - (-0.76) = 1.56V
Đáp án: a) Cực âm: Zn, Cực dương: Ag; c) 1.56V
Dạng 2: Tính khối lượng kim loại thay đổi
Phương pháp:
- Viết phản ứng điện cực
- Tính mol electron
- Tính khối lượng kim loại
a) Tính mol electron:
Cực âm (Zn):
Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
n(Zn) = 6.5 / 65 = 0.1 mol
n(e⁻) = 2 × 0.1 = 0.2 mol
b) Tính khối lượng Cu:
Cực dương (Cu):
Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
n(Cu) = n(e⁻) / 2 = 0.2 / 2 = 0.1 mol
m(Cu) = 0.1 × 64 = 6.4g
c) Tính điện lượng:
Q = n(e⁻) × F = 0.2 × 96500 = 19,300 C
Đáp án: a) 0.2 mol; b) 6.4g; c) 19,300 C
Dạng 3: Bài toán thực tế - Pin lithium-ion trong xe điện
Phương pháp:
- Phân tích đặc tính pin Li-ion
- Tính toán dung lượng, quãng đường
- So sánh với động cơ đốt trong
a) Tính quãng đường:
Quãng đường = 75 / 15 × 100 = 500 km
b) So sánh chi phí (cho 100 km):
Xe điện:
- Điện năng: 15 kWh
- Chi phí: 15 × 2,000 = 30,000 đ
Xe xăng:
- Xăng: 6 lít
- Chi phí: 6 × 25,000 = 150,000 đ
Tiết kiệm: 150,000 - 30,000 = 120,000 đ/100km (80%)
Cho 500 km:
- Xe điện: 150,000 đ
- Xe xăng: 750,000 đ
- Tiết kiệm: 600,000 đ
c) Đánh giá:
1. Ưu điểm pin Li-ion:
- ✓ Mật độ năng lượng cao (250 Wh/kg)
- ✓ Tuổi thọ dài (1000-2000 chu kỳ sạc)
- ✓ Hiệu suất cao (90-95%)
- ✓ Không khí thải trực tiếp
- ✓ Chi phí vận hành thấp (80% rẻ hơn)
2. Nhược điểm:
- ⚠️ Giá cao (300-400 triệu đồng/bộ pin)
- ⚠️ Thời gian sạc lâu (30 phút - 8 giờ)
- ⚠️ Giảm hiệu suất ở nhiệt độ thấp
- ⚠️ Nguy cơ cháy nổ (nếu hư hỏng)
- ⚠️ Khai thác lithium gây ô nhiễm
3. Tác động môi trường:
| Tiêu chí | Xe điện | Xe xăng |
|---|---|---|
| CO₂ (g/km) | 50-100* | 150-200 |
| Khí độc | 0 | CO, NOx, HC |
| Tiếng ồn | Thấp | Cao |
*Phụ thuộc nguồn điện (than, thủy điện, mặt trời...)
4. Tương lai pin:
a) Pin thể rắn (Solid-state):
- Mật độ năng lượng: 400-500 Wh/kg (+60%)
- An toàn hơn (không cháy nổ)
- Sạc nhanh hơn (10 phút đầy 80%)
- Dự kiến: 2025-2030
b) Pin lithium-sulfur:
- Mật độ năng lượng: 500-600 Wh/kg
- Rẻ hơn (sulfur dồi dào)
- Thách thức: Tuổi thọ ngắn
c) Pin lithium-air:
- Mật độ năng lượng: 1000+ Wh/kg
- Nhẹ nhất
- Thách thức: Công nghệ chưa hoàn thiện
5. Tái chế pin:
- Hiện tại: Chỉ 5% pin được tái chế
- Mục tiêu 2030: 70% tái chế
- Thu hồi: Li, Co, Ni, Mn
- Giảm 50% tác động môi trường
6. Lộ trình phát triển:
- 2025: Pin thể rắn thương mại
- 2030: 50% xe mới là xe điện
- 2035: Cấm bán xe xăng mới (EU, California)
- 2040: 80% xe trên đường là xe điện
Kết luận:
Pin Li-ion giúp xe điện tiết kiệm 80% chi phí nhiên liệu và giảm 50-70% khí thải. Với công nghệ pin mới (thể rắn, Li-S), xe điện sẽ rẻ hơn, sạc nhanh hơn và thân thiện môi trường hơn. Đây là tương lai của giao thông bền vững.
Đáp án: a) 500 km; b) Tiết kiệm 600,000 đ (80%); c) Đã phân tích chi tiết
Luyện tập trắc nghiệm
1 / 22Thế điện cực chuẩn của H⁺/H₂ là: