Dãy điện hóa của kim loại – Tóm tắt lý thuyết và cách nhớ nhanh
1. Cặp oxi hoá – khử của kim loại
$A{{g}^{+}}+1e\rightleftarrows Ag$
$C{{u}^{2+}}+2e\rightleftarrows Cu$
$\underbrace{F{{e}^{2+}}}_{\left[ O \right]}+2e\rightleftarrows \underbrace{Fe}_{\left[ K \right]}$
♦Dạng oxi hoá và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi hoá – khử của kim loại.
Thí dụ: Cặp oxi hoá – khử Ag+/Ag; Cu2+/Cu; Fe2+/Fe
2. So sánh tính chất của các cặp oxi hoá – khử
Thí dụ: So sánh tính chất của hai cặp oxi hoá – khử Cu2+/Cu và Ag+/Ag.
Cu + 2Ag+→ Cu2+ + 2Ag
Kết luận: Tính khử: Cu > Ag
Tính oxi hoá: Ag+ > Cu2+
3. Dãy điện hoá của kim loại là gì?
4. Ý nghĩa dãy điện hoá của kim loại
♦ Dự đoán chiều của phản ứng oxi hoá – khử theo quy tắc α: Phản ứng giữa hai cặp oxi hoá – khử sẽ xảy ra theo chiều chất oxi hoá mạnh hơn sẽ oxi hoá chất khử mạnh hơn, sinh ra chất oxi hoá yếu hơn và chất khử yếu hơn.
♦ Thí dụ: Phản ứng giữa hai cặp Fe2+/Fe và Cu2+/Cu xảy ra theo chiều ion Cu2+ oxi hoá Fe tạo ra ion Fe2+ và Cu.
Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
♦ Tổng quát: Giả sử có 2 cặp oxi hoá – khử Xx+/X và Yy+/Y (cặp Xx+/X đứng trước cặp Yy+/Y)
♦ Phương trình phản ứng:
Yy+ + X → Xx+ + Y
5. Pin điện hoá là gì?
a. Cấu tạo của pin điện hóa
♦ Mô tả cấu tạo của pin điện hóa: Là 1 thiết bị gồm: 2 lá kim loại, mỗi lá được nhúng vào 1 dd muối có chứa cation của kim loại đó; 2 dd này được nối với nhau bằng 1 cầu muối (dd điện li trơ: NH4NO3, KNO3)
♦ Suất điện động của pin điện hoá (vd: Zn- Cu)
Epin = 1,10 V
b. Giải thích
♦ Điện cực Zn (cực âm) là nguồn cung cấp e, Zn bị oxi hoá thành Zn2+ tan vào dung dịch: Zn → Zn2+ + 2e
♦ Điện cực Cu (cực dương) các e đến cực Cu, ở đây các ion Cu2+ bị khử thành kim loại Cu bám trên bề mặt lá đồng.
Cu2+ + 2e → Cu
♦ Vai trò của cầu muối : Trung hòa điện tích của 2 dung dịch
√ Cation NH4+ ( hoặc K+) và Zn2+ di chuyển sang cốc đựng dung dịch CuSO4
√ Ngược lại : các anion NO3– và SO42– di chuyển sang cốc đựng dung dịch ZnSO4.
Sự di chuyển của các ion này làm cho các dung dịch muối luôn trung hoà điện.
♦ Phương trình ion rút gọn biểu diễn quá trình oxi hoá-khử xảy ra trên bề mặt các điện cực của pin điện hoá:
Cu2+ + Zn → Cu + Zn2+
Oxh Kh Kh. yếu Oxh yếu
$\frac{Z{{n}^{2+}}}{Zn}\ \ \ \ \frac{C{{u}^{2+}}}{Cu}$
c. Nhận xét
♦ Có sự biến đổi nồng độ các ion Cu2+ và Zn2+ trong quá trình hoạt động của pin. Cu2+ giảm, Zn2+ tăng
♦ Năng lượng của phản ứng oxi hóa – khử trong pin điện hóa đã sinh ra dòng điện một chiều.
♦ Những yếu tốảnh 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.
♦ Trong pin điện hóa:
* Cực âm ( anot) : xảy ra qt oxi hóa
* Cực dương( catot) : xảy ra qt khử
4. Cấu tạo của điện cực hiđro chuẩn.
♦ Điện cực platin.
♦ Điện cực nhúng vào dd axit H+ 1 M.
♦ Cho dòng khí H2 có p =1 atm liên tục đi qua dd axit để bề mặt Pt hấp phụ khí H2.
Trên bề mặt của điện cực hidro xảy ra cân bằng oxi hóa- khử của cặp oxi hoá – khử H+/H2
${{H}_{2}}\rightleftarrows 2{{H}^{+}}+2\text{e}$
Người ta chấp nhận một cách quy ước rằng thế điện cực của điện cực hidro chuẩn bằng 0,00V ở mọi nhiệt độ : $E_{2{{H}^{+}}/{{H}_{2}}}^{0}=0,00V$
5. Thế điện cực chuẩn của kim loại
♦ Thiết lập pin điện hoá gồm: điện cực chuẩn của kim loại ở bên phải, điện cực của hiđro chuẩn ở bên trái vôn kế → hiệu điện thế lớn nhất giữa hai điện cực chuẩn: Suất điện động của pin
♦ Thế điện cực chuẩn của kim loại cần đo được chấp nhận bằng suất điện động của pin tạo bởi điện cực hidro chuẩn và điện cực chuẩn của kim loại cần đo.
♦ Trong pin điện hóa: Nếu điện cực kim loại là cực âm → thì thế điện cực chuẩn của kim loại có giá trị âm, nếu điện cực kim loại là cực dương → thì thế điện cực chuẩn của kim loại có giá trị dương
♦ Xác định thế điện cực chuẩn của cặp Ag+/Ag :
Các phản ứng xảy ra:
– Ag là cực dương (catot): Ag+ + e → Ag
– Hidro là cực âm (anot) : H2→ 2H+ + 2e
Phản ứng xảy ra trong pin: 2Ag+ + H2→ 2Ag + 2H+
♦ Dãy thế điện cực chuẩn của kim loại là dãy được sắp xếp theo chiều tăng dần thế điện cực chuẩn của kim loại.
6. Ý nghĩa thế điện cực chuẩn của kim loại
♦ Trong dung môi nước, thế điện cực chuẩn của kim loại
$E_{{{M}^{n+}}/M}^{0}$càng lớn thì tính oxi hóa của cation Mn+ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu.Ngược lại thế điện cực chuẩn của kim loại càng nhỏ thì tính oxi hóa của cation càng yếu và tính khử của kim loại càng mạnh.
♦ Học sinh phân tích phản ứng giữa 2 cặp oxi hóa–khử : Cu2+/Cu (E0 = +0,34V) và Ag+/Ag ( E0 = +0,80V) thấy:
– ion Cu2+ có tính oxi hóa yếu hơn ion Ag+.
– kim loại Cu có tính khử mạnh hơn Ag.
– Cặp oxi hóa–khử Cu2+/Cu có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn của cặp oxi hóa–khử Ag+/Ag.
7. Kết luận quan trọng về dãy điện hóa của kim loại:
♦ kim loại của cặp oxi hóa–khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn có khử được cation kim loại của cặp oxi hóa–khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn.
( Hoặc : 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.)
Hoặc theo quy tắc α : Chất oxi hóa mạnh mạnh hơn s oxi hóa chất khử mạnh hơn , sinh ra chất oxi hóa yếu hơn và chất khử yếu hơn
2Ag+ + Cu → Cu2+ + 2Ag
Mg + 2H+ → Mg2+ + H2
♦ Kim loại trong cặp oxi hóa- khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn 0,00 V đẩy được hidro ra khỏi dd axit HCl, H2SO4 loãng. (Hoặc : cation H+ trong cặp 2H+/H2 oxi hóa được kim loại trong cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn ( thế điện cực chuẩn âm)
♦ Suất điện động chuẩn của pin điện hóa (E0pin) bằng thế điện cực chuẩn của cực dương trừ đi thế điện cực chuẩn của cực âm. Suất điện động của pin điện hóa luôn là số dương.
♦ Ta có thể xác định được thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa–khử khi biết suất điện động chuẩn của pin điệ hóa (E0pin) và thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa–khử còn lại. Thí dụ: với pin (Ni-Cu) ta có:
