Trong cặp oxi hoá - khử của kim loại, dạng oxi hoá và dạng khử có thể tồn tại ở dạng ion đơn nguyên tử, ion đa nguyên tử hoặc dạng phân tử, ví dụ: Fe3+/Fe2+; [Ag(NH3)2]+/Ag; AgCl/Ag;...

Các nguyên tố phi kim cũng có các cặp oxi hoá - khử tương ứng, ví dụ: 2H +/H2; Cl2/Cl- ;...

 Ví dụ 1. 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.

Ví dụ 2. Viết bán phản ứng hoặc cặp oxi hoá - khử còn thiếu trong bảng dưới đây vào vở:

Ví dụ 3. Cho đinh sắt (iron) tác dụng với dung dịch hydrochloric acid, thu được muối iron(ll) chloride và khí hydrogen.

a. Phương trình hoá học của phản ứng ở dạng ion thu gọn là Fe(s) + 2Cl–(aq) → FeCl2(aq).

b. Trong phản ứng trên chất khử là Fe, chất oxi hóa là H2.

c. Cặp oxi hóa - khử của kim loại trong phản ứng trên là Fe2+/Fe.

d. Cặp oxi hóa - khử của phi kim trong phản ứng trên là H2/H+.

Trong mỗi ý a), b), c), d) trả lời đúng hoặc sai

Ví dụ 4. Cho hai phản ứng sau:

        Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)         Cu(s) + 2Ag+(aq) → Cu2+(aq) + 2Ag(s)

Số cặp oxi hoá – khử trong hai phản ứng trên là  

        A. 2.                     B. 4.                       C. 3.                       D. 5.

Ví dụ 5. Kí hiệu nào sau đây không đúng với cặp oxi hoá – khử?

         A. 2Cl–/Cl2.                      B. MnO2/Mn2+.           C. Fe3+/Fe2+.                    D. Na+/Na.

Điện cực hydrogen chuẩn

Điện cực hydrogen chuẩn gồm một lá Pt (hấp phụ bão hoà khí hydrogen với áp suất 1 bar), nhúng trong dung dịch acid có nồng độ ion H+ bằng 1 M.

Tại ranh giới giữa lá Pt (có hấp phụ H2) và dung dịch chất điện li tồn tại cân bằng: 2H+ + 2e  ⇌  H2.

Nguyên nhân xuất hiện thế điện cực chuẩn

Khi cân bằng Mn+ + ne ⇌  M được thiết lập thì tại ranh giới giữa kim loại và dung dịch điện li xuất hiện hai lớp tích điện trái dấu rất gần nhau (lớp điện kép).

Sự xuất hiện lớp điện kép tạo ra sự chênh lệch điện thế và điện thế chênh lệch này được gọi là thế điện cực của điện cực tương ứng.

 Ví dụ 1. Theo quy ước, thế điện cực chuẩn (E°) của điện cực hydrogen bằng

        A. 0 V.                                   B. 1,00 V.                           C. 2,00 V.                     D. –1,00 V.

Ví dụ 2. Cho các cặp oxi hoá - khử sau: Na+/Na, Mg2+/Mg, Zn2+/Zn, Al3+/Al, Fe2+/Fe, Ag+/Ag, 2H+/H2, Cu2+/Cu. Dựa vào Bảng 15.1 sắp xếp các cặp oxi hoá - khử trên theo chiều giảm dần tính khử của dạng khử.

Ví dụ 3. Cho các phát biểu sau về thế điện cực chuẩn:

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

b. Kí hiệu thế điện cực chuẩn của kim loại là , đơn vị là volt (vôn).

c. Thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá - khử càng lớn thì tính khử của dạng khử càng mạnh và tính oxi hóa của dạng oxi hóa càng yếu.

d. Thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá - khử càng nhỏ thì tính oxi hoá của dạng oxi hóa càng mạnh và tính khử của dạng khử càng yếu.

Trong mỗi ý a), b), c), d) chọn đúng hoặc sai

Ví dụ 4. Nghiên cứu về chiều phản ứng giữa các cặp oxỉ hoá - khử

Xét hai phản ứng oxi hoá khử sau:

        (1) Zn + Cu2+   Zn2+ + Cu

        (2) Cu + 2Ag    Cu2+ + 2Ag

a) 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.

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

c) 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.

Ví dụ 5. Cho biết:  = −2,925 V; = 1,630V. Nhận xét nào sau đây đúng?    

         A. X có tính khử mạnh; Y có tính khử yếu.

         B. X và Y đều có tính khử mạnh.

         C. X và Y đều có tính khử yếu.

        D. X có tính khử yếu; Y có tính khử mạnh.

Ví dụ 6. Trong số các ion: Ag+, Fe2+, Al3+, Cu2+, ion nào có tính oxi hóa mạnh nhất?

        A. Fe2+.        B. Al3+.        C. Cu2+.        D. Ag+.

Ví dụ 7. 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.

Ví dụ 8. Dựa vào Bảng 15.1, sách Hoá học 12, bộ sách Kết nối tri thức, chỉ ra những phát biểu nào đúng, phát biểu nào sai?

(a) Zn có tính khử mạnh hơn Pb và Zn2+ có tính oxi hoá yếu hơn Pb2+.

(b) Cu2+ có tính oxi hoá mạnh hơn Fe3+ và  có tính khử mạnh hơn Fe2+.

(c) Những kim loại có thế điện cực chuẩn âm đều khử được H+ thành H2 và phàn ứng được trong dung dịch HCl.

(d) Trong dãy hoạt động hoá học, những kim loại đứng trước có thế điện cực chuẩn lớn hơn thế điện cực chuẩn của những kim loại đứng sau.

(e) Kẽm có thể khử các ion Fe2+ và Ni2+ về kim loại Fe và Ni nhưng không thể khử ion Al3+ về kim loại Al.

Ví dụ 9. Cho biết giá trị thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá – khử trong bảng 15.1. Số kim loại trong dãy các kim loại Na, Ni, Fe, Cu, Ag phản ứng được với dung dịch HCl ở điều kiện chuẩn là

          A. 3.                               B. 4.                                     C. 1.                                      D. 2.

Ví dụ 10. Cho biết giá trị thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá – khử của kim loại trong bảng 15.1. Trong các kim loại Li, Ba, Na, Mg, Fe, Ni, có bao nhiêu kim loại có tính khử mạnh hơn kẽm (Zn)?

Ví dụ 11. Cho biết giá trị thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá – khử trong bảng 15.1:

Cho các phản ứng hoá học sau:

        (a)                 (b)

        (c) Cu(s) + Fe3+(aq) →                (d)

        (e) Fe2+(aq) + Ag+(aq) →                (g) Al(s) + H+(aq)  →  

Có bao nhiêu phản ứng tự xảy ra ở điều kiện chuẩn?

Ví dụ 12. Ở điều kiện chuẩn xảy ra các phản ứng sau:

        (1) X2+(aq) + Y+(aq) → X3+(aq) + Y(s)

        (2) X(s) + 2X3+(aq) → 3X2+(aq)

Sự sắp xếp nào sau đây đúng với các giá trị thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá khử?

         A.  >  > .                               B. >  > .                      

        C.  >  > .                                      D. >  > .

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?

Cách xác định thế điện cực chuẩn 

Thế điện cực chuẩn của một điện cực được xác định bằng cách thiết lập pin điện gồm điện cực (ở điều kiện chuẩn) cần xác định và điện cực hydrogen chuẩn. 

 Lắp ráp một pin đơn giản

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 (Hình 15.11 a).

- 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.)

 Ví dụ 1. 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.

Ví dụ 2. Khi pin Galvani Zn-Cu hoạt động thì nồng độ

        A. Cu2+ giảm, Zn2+ tăng.                B. Cu2+ giảm, Zn2+ giảm.

        C. Cu2+ tăng, Zn2+ tăng.                D. Cu2+ tăng, Zn2+ giảm.

Ví dụ 3. Pin quả chanh được thiếp lập gồm một dây Cu và dây Zn ghim vào một quả chanh và nối với bóng điện như hình dưới đây:  

Bóng điện sáng đồng nghĩa với sự xuất hiện dòng điện. Bán phản ứng nào sau đây xảy ra ở cực dương?

         A. Cu2+(aq) + 2e → Cu(s).                           B. Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e.

         C. 2H+(aq) + 2e → H2(g).                                   D. Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e.

Ví dụ 4. Trong quá trình một pin Galvani đang hoạt động.

a. Quá trình phản ứng oxi hoá - khử tự diễn biến.

b. Quá trình oxi hoá và quá trình khử xảy ra ở cùng một điện cực.

c. Cầu muối có tác dụng trung hoà điện tích của hai dung dịch muối.

d. Sức điện động của pin không thay đổi theo thời gian.

Trong mỗi ý a), b), c), d) chọn đúng hoặc sai

Ví dụ 5. Một pin điện hoá Zn - H2 được thiết lập ở các điều kiện như hình vẽ sau (vôn kế có điện trở rất lớn).

a. Giá trị thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá - khử Zn2+/Zn là 0,762 V.

b. Quá trình khử xảy ra ở cathode là: 2H+ + 2eH2.

c. Chất điện li trong cầu muối là KC1.

d. Phản ứng hoá học xảy ra trong pin là: Zn + 2H+ Zn2+ + H2.

Trong mỗi ý a), b), c), d) chọn đúng hoặc sai

Ví dụ 6. Nếu thế khử chuẩn của điện cực dương là 0,8 V và thế khử chuẩn của điện cực âm là –0,76 V thì sức điện động chuẩn của pin Galvani tạo từ hai điện cực trên là bao nhiêu?

        A. .        B. .        C. .        D. .

Ví dụ 7. Cho biết:   = −1,676 V; = −0,763 V ; =  −0,126 V; = +0,340 V.

Trong các pin điện hoá sau, pin nào có sức điện động chuẩn lớn nhất?

         A. Pin Zn-Pb.                  B. Pin Pb-Cu.                   C. Pin Zn-Cu.                        D. Pin Al-Zn.

Pin

Ưu điểm

Nhược điểm

Acquy chì

• Dễ sản xuất, giá thành thấp.
• Hoạt động ổn định.
• Dễ thu hồi sulfuric acid và chì để tái chế.

• Nặng, tuổi thọ thấp (trung bình khoảng 1 năm).
• Gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc chì ở các làng nghề tái chế acquy cũ.

Pin nhiên liệu

• Điều chỉnh được cường độ dòng điện nhờ thay đổi tốc độ dòng nhiên liệu.
• Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát.

• Giá thành cao.

Pin Mặt Trời

• Là nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường.
• Tận dụng được năng lượng vô tận của Mặt Trời.

• Sản xuất khá phức tạp, giá thành cao.
• Cần nhiều ánh nắng nên phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết.
• Các tấm pin Mặt Trời hết hạn sử dụng có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.

 Pin lithium-ion

Pin lithium-ion thuộc loại pin sạc, được sử dụng trong máy tính laptop, điện thoại, máy quay phim, phương tiện giao thông chạy điện,...

Pin lithium-ion có nhiều ưu điểm như nhẹ, nhỏ gọn, bền, mật độ năng lượng cao, sạc nhanh và có thể sạc mọi thời điểm. Pin lithium-ion có nhược điểm là giá thành cao, dễ hư hỏng bởi nhiệt, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

Pin khô

Pin khô thuộc loại pin sơ cấp (không sạc được), được dùng trong thiết bị điều khiển, máy ảnh, đồ chơi,...

Pin khô có nhiều ưu điểm như năng lượng ổn định, giá rẻ, phù hợp các thiết bị di động. Pin khô có nhược điểm là điện áp thấp, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường.

 Ví dụ 1. Pin điện hoá là công cụ chuyển hoá năng (năng lượng phản ứng hoá học) thành

          A. động năng.                            B. thế năng.                       C. điện năng.                  D. quang năng.

Ví dụ 2.

a) Hãy nêu một số ứng dụng của pin mặt trời trong đời sống.

b) Hãy nêu một số thiết bị sử dụng acquy mà em biết.

Ví dụ 3. Tìm hiểu và nêu ưu, nhược điểm của pin nhiên liệu, pin mặt trời và acquy.

Ví dụ 4. Phân loại các loại pin sử dụng trong gia đình và đề xuất cách thu gom, xử lí khi hết hạn sử dụng để bảo vê môi trường.

Ví dụ 5. Tìm hiểu và giải thích những vùng miền nào ở Việt Nam thích hợp với việc phát triển điện mặt trời.

Ví dụ 1. Cho pin điện hoá tạo bởi hai cặp oxi hoá – khử ở điều kiện chuẩn: Pb2+/Pb và Zn2+/Zn với thế điện cực chuẩn tương ứng là –0,126 V và –0,762 V. Sức điện động chuẩn của pin là bao nhiêu volt (V)? (Kết quả làm tròn kết quả đến phần trăm).

Ví dụ 2. Một pin Galvani được lắp ghép từ hai điện cực tạo bởi hai cặp oxi hoá – khử là Pb2+/Pb () và Fe3+/Fe2+ (). Sức điện động chuẩn của pin Galvani trên là bao nhiêu volt (V)? (Kết quả làm tròn kết quả đến phần trăm).                

Ví dụ 3. Một pin điện hoá được thiết lập từ hai điện cực tạo bởi hai cặp oxi hoá − khử là M2+/M và Ag+/Ag. Cho biết:

Nếu M là một trong số các kim loại: Fe, Ni, Sn, Cu thì sức điện động chuẩn lớn nhất của pin bằng bao nhiêu volt (V)? (Kết quả làm tròn kết quả đến phần trăm).

Ví dụ 4. Sức điện động chuẩn của pin điện hoá H2 − Cu (gồm hai điện cực ứng với hai cặp oxi hoá − khử là 2H+/H2 và Cu2+/Cu) đo được bằng vôn kế có điện trở vô cùng lớn là 0,340 V. Thế điện cực chuẩn của cặp Cu2+/ Cu là bao nhiêu volt (V)?

Ví dụ 5.  Pin X-Y có sức điện động chuẩn là 1,10 V với hai cặp oxi hoá – khử là X2+/X và Y2+/Y. Pin Y-Z có sức điện động chuẩn là 0,82 V với hai cặp oxi hoá – khử là Y2+/Y và Z2+/Z. Pin X-Z (với hai cặp oxi hoá – khử là X2+/X và Z2+/Z) có sức điện động chuẩn là bao nhiêu volt (V)?