Kiến thức trọng tâmLớp 12

Pin điện và điện phân

Ôn thế điện cực chuẩn, pin Galvani, sức điện động, điện phân nóng chảy và dung dịch, định luật Faraday kèm mô phỏng pin và bài tập có lời giải.

Pin điện và điện phân là chủ đề "ăn điểm" ở cả ba phần: câu nhiều lựa chọn về thế điện cực chuẩn và sức điện động, câu đúng/sai mô tả một pin hoặc một bình điện phân trong sản xuất, câu trả lời ngắn tính khối lượng kim loại, thể tích khí theo định luật Faraday. Điều quan trọng nhất: anode luôn là nơi xảy ra sự oxi hóa, cathode là nơi xảy ra sự khử — chỉ có dấu của điện cực là khác nhau giữa pin và bình điện phân.

Kiến thức trọng tâm

Cặp oxi hóa – khử và thế điện cực chuẩn

Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố tạo thành cặp oxi hóa – khử, viết $\ce{M^{n+}/M}$ : $\ce{M^{n+} + ne- <=> M}$ . Thế điện cực chuẩn $E^\circ$ của cặp được đo so với điện cực hydrogen chuẩn ( $E^\circ = 0$ ) ở 25 °C, nồng độ ion 1 M, áp suất khí 1 bar.

Cặp oxi hóa – khử	$E^\circ$ (V)
$\ce{Mg^{2+}/Mg}$	$-2{,}356$
$\ce{Al^{3+}/Al}$	$-1{,}676$
$\ce{Zn^{2+}/Zn}$	$-0{,}762$
$\ce{Fe^{2+}/Fe}$	$-0{,}440$
$\ce{Ni^{2+}/Ni}$	$-0{,}257$
$\ce{Sn^{2+}/Sn}$	$-0{,}137$
$\ce{Pb^{2+}/Pb}$	$-0{,}126$
$\ce{2H+/H2}$	$0{,}000$
$\ce{Cu^{2+}/Cu}$	$+0{,}340$
$\ce{Fe^{3+}/Fe^{2+}}$	$+0{,}771$
$\ce{Ag+/Ag}$	$+0{,}799$

(Một số tài liệu ghi $E^\circ_{\ce{Zn^{2+}/Zn}} = -0{,}763$ V; khi làm bài luôn dùng số liệu đề cho.)

$E^\circ$ càng lớn: dạng oxi hóa có tính oxi hóa càng mạnh, dạng khử có tính khử càng yếu.
$E^\circ$ càng nhỏ: kim loại có tính khử càng mạnh.
Chiều phản ứng: chất oxi hóa mạnh hơn + chất khử mạnh hơn → chất oxi hóa yếu hơn + chất khử yếu hơn.

\ce{Cu + 2Fe^{3+} -> Cu^{2+} + 2Fe^{2+}}

\ce{Fe^{2+} + Ag+ -> Fe^{3+} + Ag}

Pin Galvani

Pin Galvani biến hóa năng thành điện năng nhờ phản ứng oxi hóa – khử tự xảy ra. Pin Zn – Cu gồm thanh Zn nhúng trong dung dịch $\ce{ZnSO4}$ 1 M, thanh Cu nhúng trong dung dịch $\ce{CuSO4}$ 1 M, hai dung dịch nối bằng cầu muối (chứa $\ce{KNO3}$ hoặc $\ce{NH4NO3}$ …) để trung hòa điện tích.

Anode (Zn, $E^\circ$ nhỏ hơn) là cực âm, xảy ra sự oxi hóa: $\ce{Zn -> Zn^{2+} + 2e-}$ .
Cathode (Cu, $E^\circ$ lớn hơn) là cực dương, xảy ra sự khử: $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$ .

\ce{Zn + Cu^{2+} -> Zn^{2+} + Cu}

\begin{aligned}E^\circ_{\text{pin}} &= E^\circ_{\text{cathode}} - E^\circ_{\text{anode}} \\ &= 0{,}340 - (-0{,}762) = 1{,}102\ \text{V}\end{aligned}

Electron đi ở mạch ngoài từ anode sang cathode; trong cầu muối, cation đi về phía cathode, anion đi về phía anode. Khi pin hoạt động, thanh Zn mòn dần, thanh Cu dày lên, màu xanh của dung dịch $\ce{CuSO4}$ nhạt dần.

Pin điện hóa

Pin Zn – Cu. Theo dõi electron chạy từ Zn (anode, cực âm) sang Cu (cathode, cực dương) và ion trong cầu muối KNO₃. Đổi nửa pin bên phải thành Ag để thấy E°pin tăng lên 1,561 V.

Đang chuẩn bị mô hình…

Một số pin trong thực tế

Pin khô (pin Zn – carbon): anode là vỏ kẽm, cathode là thanh graphite bao bởi hỗn hợp $\ce{MnO2}$ ; dùng một lần.
Acquy chì: cực âm Pb, cực dương $\ce{PbO2}$ , dung dịch $\ce{H2SO4}$ ; sạc lại được (phản ứng khi phóng điện ghi bên dưới).
Pin lithium-ion: điện thoại, máy tính xách tay, xe điện; sạc lại được, nhẹ, dung lượng lớn.
Pin nhiên liệu hydrogen – oxygen: phản ứng tổng $\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}$ , sản phẩm chỉ có nước.

Phản ứng khi acquy chì phóng điện:

\ce{Pb + PbO2 + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O}

Điện phân

Điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li — biến điện năng thành hóa năng.

	Pin Galvani	Bình điện phân
Anode	cực âm; oxi hóa	cực dương; oxi hóa
Cathode	cực dương; khử	cực âm; khử
Năng lượng	hóa năng → điện năng	điện năng → hóa năng

Điện phân nóng chảy — điều chế kim loại có tính khử mạnh (Na, K, Mg, Ca, Al):

\ce{2NaCl -> 2Na + Cl2}

\ce{2Al2O3 -> 4Al + 3O2}

Điện phân $\ce{Al2O3}$ có thêm cryolite ( $\ce{Na3AlF6}$ ) để hạ nhiệt độ nóng chảy và tăng độ dẫn điện; anode bằng than chì bị oxygen sinh ra đốt cháy dần nên phải thay định kì.

Điện phân dung dịch (điện cực trơ)

Cathode (cực âm): cation có $E^\circ$ lớn hơn bị khử trước: $\ce{Ag+}$ , $\ce{Fe^{3+}}$ (thành $\ce{Fe^{2+}}$ ), $\ce{Cu^{2+}}$ …; cation kim loại đứng sau Al (như $\ce{Zn^{2+}}$ , $\ce{Fe^{2+}}$ , $\ce{Ni^{2+}}$ ) cũng bị khử thành kim loại; $\ce{H+}$ của acid bị khử thành $\ce{H2}$ ; cation $\ce{Na+}$ , $\ce{K+}$ , $\ce{Ca^{2+}}$ , $\ce{Mg^{2+}}$ , $\ce{Al^{3+}}$ không bị khử, thay vào đó nước bị khử: $\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}$ .
Anode (cực dương): $\ce{Cl-}$ bị oxi hóa trước: $\ce{2Cl- -> Cl2 + 2e-}$ ; anion $\ce{SO4^{2-}}$ , $\ce{NO3-}$ không bị oxi hóa, thay vào đó nước bị oxi hóa: $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$ .

Các phương trình điện phân dung dịch (điện cực trơ; với NaCl có màng ngăn):

\ce{2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + H2 + Cl2}

\begin{aligned}&\ce{2CuSO4 + 2H2O} \\ &\ce{-> 2Cu + O2 + 2H2SO4}\end{aligned}

\begin{aligned}&\ce{4AgNO3 + 2H2O} \\ &\ce{-> 4Ag + O2 + 4HNO3}\end{aligned}

Điện phân dung dịch NaCl bão hòa có màng ngăn dùng sản xuất NaOH, $\ce{Cl2}$ , $\ce{H2}$ ; không có màng ngăn thì $\ce{Cl2}$ phản ứng với NaOH tạo nước Javel:

\ce{Cl2 + 2NaOH -> NaCl + NaClO + H2O}

Anode tan: khi anode là kim loại cùng loại với cation trong dung dịch (anode Cu trong dung dịch $\ce{CuSO4}$ ), chính anode bị oxi hóa: $\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-}$ . Đây là nguyên tắc tinh luyện đồng và mạ điện (vật cần mạ làm cathode, kim loại mạ làm anode).

Định luật Faraday

n_e = \frac{It}{F} \qquad m = \frac{A\,I\,t}{n\,F}

$I$ : cường độ dòng điện (A); $t$ : thời gian (s); $F = 96\,485$ C/mol; $A$ : khối lượng mol; $n$ : số electron trao đổi của một ion.

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Xác định cực, phản ứng và sức điện động của pin

Xem lời giải

Ni có $E^\circ$ nhỏ hơn → anode (cực âm): $\ce{Ni -> Ni^{2+} + 2e-}$ .
Ag có $E^\circ$ lớn hơn → cathode (cực dương): $\ce{Ag+ + e- -> Ag}$ .
Nhân nửa phản ứng khử với 2 để cân bằng electron: $\ce{Ni + 2Ag+ -> Ni^{2+} + 2Ag}$ .
$E^\circ_{\text{pin}} = 0{,}799 - (-0{,}257) = 1{,}056$ V (không nhân 0,799 với 2).

Pin điện hóa

Pin Ni – Ag của Dạng 1. Đối chiếu nửa phản ứng ở hai điện cực, phương trình đã cân bằng electron và E°pin = 1,056 V với lời giải.

Đang chuẩn bị mô hình…

Dạng 2: Suy ra thế điện cực chưa biết

Xem lời giải

X là cực âm (anode) nên $0{,}597 = 0{,}340 - E^\circ_{\ce{X^{2+}/X}}$ → $E^\circ_{\ce{X^{2+}/X}} = -0{,}257$ V → X là Ni.

Dạng 3: Điện phân dung dịch hỗn hợp – định luật Faraday

Xem lời giải

$n_e = \dfrac{3{,}0 \cdot 1930}{96\,485} \approx 0{,}06$ mol.
Cathode: $\ce{Ag+}$ (0,02 mol) bị khử trước, dùng 0,02 mol electron; còn 0,04 mol electron khử 0,02 mol $\ce{Cu^{2+}}$ (chưa hết 0,04 mol $\ce{Cu^{2+}}$ ).
Khối lượng kim loại $= 0{,}02 \cdot 108 + 0{,}02 \cdot 64 = 3{,}44$ g.
Anode: chỉ nước bị oxi hóa → $n_{\ce{O2}} = \dfrac{0{,}06}{4} = 0{,}015$ mol → $V = 0{,}015 \cdot 24{,}79 \approx 0{,}372$ L.

Dạng 4: Thí nghiệm điện phân (đúng/sai)

Xem lời giải

a) Đúng. $\ce{Cu^{2+} + 2e- -> Cu}$ .
b) Đúng. $\ce{SO4^{2-}}$ không bị oxi hóa; nước bị oxi hóa tạo $\ce{O2}$ không màu.
c) Sai. Anode sinh ra $\ce{H+}$ ( $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$ ) nên dung dịch có tính acid tăng, pH giảm.
d) Đúng. Anode đồng tan ra ( $\ce{Cu -> Cu^{2+} + 2e-}$ ) bù đúng lượng $\ce{Cu^{2+}}$ bị khử ở cathode (nguyên tắc mạ đồng, tinh luyện đồng).

Dạng 5: Đếm phát biểu đúng

Xem lời giải

(a), (b), (e) đúng. (c) sai: $\ce{Na+}$ không bị khử trong dung dịch, nước bị khử tạo $\ce{H2}$ . (d) sai: anode luôn là nơi xảy ra sự oxi hóa. Đáp số 3.

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

Tính $E^\circ_{\text{pin}}$ của pin Mg – Pb.

Xem đáp án

$E^\circ_{\text{pin}} = -0{,}126 - (-2{,}356) = 2{,}230$ V; Mg là anode.

Điện phân 500 mL dung dịch NaCl (điện cực trơ, có màng ngăn) với dòng 5,0 A trong 1930 giây. Tính pH của dung dịch sau điện phân (coi thể tích không đổi, NaCl còn dư).

Xem đáp án

$n_e = \dfrac{5 \cdot 1930}{96\,485} \approx 0{,}1$ mol → $n_{\ce{OH-}} = 0{,}1$ mol → $[\ce{OH-}] = 0{,}2$ M → pOH $\approx 0{,}70$ → pH $\approx 13{,}3$ .

Mạ nickel cho một vật bằng dòng 2,0 A trong 4825 giây (hiệu suất 100%). Khối lượng nickel bám trên vật là bao nhiêu? (Ni = 59.)

Xem đáp án

$n_e = \dfrac{2 \cdot 4825}{96\,485} \approx 0{,}1$ mol → $n_{\ce{Ni}} = 0{,}05$ mol → $m \approx 2{,}95$ g.

Vì sao không thể điều chế kim loại Al bằng cách điện phân dung dịch $\ce{AlCl3}$ ?

Xem đáp án

Trong dung dịch, $\ce{Al^{3+}}$ có tính oxi hóa yếu hơn nước nên ở cathode nước bị khử tạo $\ce{H2}$ ; phải điện phân nóng chảy $\ce{Al2O3}$ .

Trong pin Zn – Cu, nếu bỏ cầu muối thì sao?

Xem đáp án

Mạch hở, dòng điện không xuất hiện: cầu muối giữ cho hai dung dịch trung hòa điện và khép kín mạch điện.

Kiểm tra lại kiến thức vừa ôn

Làm 10 câu luyện tập về pin điện và điện phân và xem lời giải ngay sau mỗi câu.

Luyện tập ngay

Đề có câu hỏi về chủ đề này

ĐỀ SỐ 01Trung bìnhLàm thử miễn phí

Hóa học — Đề ôn luyện số 1

Đề sát cấu trúc đề thi tốt nghiệp: ester – chất béo và xà phòng, amine – amino acid, pin điện và điện phân dung dịch NaCl có màng ngăn, phức chất của copper(II), chuẩn độ giấm ăn cùng các bài tính hiệu suất, enthalpy gắn với sản xuất và đời sống.

28 câu · 50 phút

ĐỀ SỐ 02Cơ bảnLàm thử miễn phí

Hóa học — Đề ôn luyện số 2

Đề mức cơ bản, bám sát kiến thức trọng tâm: danh pháp và tính chất đặc trưng của ester, carbohydrate, amine, polymer; pin Zn–Cu, hợp chất của iron, cân bằng NO₂/N₂O₄ và các bài tính một – hai bước về muối, mạ bạc, pH, enthalpy.

28 câu · 50 phút

ĐỀ SỐ 03Nâng caoLàm thử miễn phí

Hóa học — Đề ôn luyện số 3

Đề nâng cao, nhiều câu phân hóa: xác định cấu tạo ester và chất béo, điện di amino acid, so sánh thế điện cực, cân bằng phức chất của cobalt, chuẩn độ permanganate viên sắt, tinh luyện đồng, sản xuất sulfuric acid và điện phân hỗn hợp muối.

28 câu · 50 phút