Phần

Pin Galvani — sơ đồ pin, dấu cực, và ghép nhiều pin

Em sẽ làm được gì?

Bài này dạy em viết đúng sơ đồ quy ước của một pin Galvani, xác định chính xác cực âm và cực dương, và tính suất điện động khi ghép nhiều pin nối tiếp hoặc song song.

Cần nhớ trước

Bài trước đã dạy cách so sánh $E^\circ$ để chọn catot – anot và tính $E^\circ_{pin}$ . Bài này dùng lại đúng kết quả đó, chỉ thêm phần trình bày và cấu tạo mạch.

Bài trước đã dạy cách so sánh $E^\circ$ để chọn catot – anot và tính $E^\circ_{pin}$. Bài này dùng lại đúng kết quả đó, chỉ thêm phần trình bày và cấu tạo mạch.

Một chiếc đèn pin ba viên pin AA cho ánh sáng mạnh hơn hẳn một viên, dù mỗi viên đều chỉ ghi 1,5 V. Vì sao xếp chồng ba viên lại làm điện áp cộng dồn lên 4,5 V? Câu trả lời nằm ở cách các pin được nối với nhau trong mạch — và đó cũng là câu hỏi HSG hay đặt ra với pin điện hóa trong phòng thí nghiệm.

Cấu tạo và sơ đồ quy ước của pin Galvani

Một pin Galvani gồm hai điện cực nhúng trong hai dung dịch chứa ion của chính kim loại đó, nối với nhau bằng cầu muối (hoặc màng ngăn xốp) để giữ trung hòa điện tích, và nối mạch ngoài bằng dây dẫn qua một thiết bị đo hoặc tải tiêu thụ. Sơ đồ pin viết theo quy ước: cực âm bên trái, cực dương bên phải, dấu gạch đơn ( $|$ ) ngăn cách pha rắn – dung dịch, dấu gạch đôi ( $||$ ) là cầu muối. Ví dụ pin Zn–Cu viết là $(-)\ Zn\ |\ Zn^{2+}\ ||\ Cu^{2+}\ |\ Cu\ (+)$ .

Một pin Galvani gồm hai điện cực nhúng trong hai dung dịch chứa ion của chính kim loại đó, nối với nhau bằng cầu muối (hoặc màng ngăn xốp) để giữ trung hòa điện tích, và nối mạch ngoài bằng dây dẫn qua một thiết bị đo hoặc tải tiêu thụ. Sơ đồ pin viết theo quy ước: cực âm bên trái, cực dương bên phải, dấu gạch đơn ($|$) ngăn cách pha rắn – dung dịch, dấu gạch đôi ($||$) là cầu muối. Ví dụ pin Zn–Cu viết là $(-)\ Zn\ |\ Zn^{2+}\ ||\ Cu^{2+}\ |\ Cu\ (+)$.

Xác định đúng dấu cực trong pin Galvani

Trong pin Galvani (pin tự phát, không dùng nguồn ngoài): cực âm là nơi xảy ra sự oxi hóa (anot), electron sinh ra tại đây đi ra mạch ngoài; cực dương là nơi xảy ra sự khử (catot), electron từ mạch ngoài đi vào đây. Cần nhớ: quy tắc này chỉ đúng cho pin Galvani. Ở bình điện phân (chương sau), dấu cực bị đảo ngược vì nguồn điện ngoài áp đặt chiều dòng electron — anot của bình điện phân nối với cực dương của nguồn ngoài, nên mang dấu dương, ngược hẳn với pin Galvani.

Cùng là "cực dương/cực âm" nhưng đổi nghĩa hoàn toàn ở bình điện phân — xem callout bẫy bên dưới.

Ví dụ: viết đầy đủ sơ đồ pin Zn – Ag

Ví dụ

Ví dụ 1 — Sơ đồ pin, hai bán phản ứng, và phương trình pin tổng

1
Cho $E^\circ_{Zn^{2+}/Zn}=-0{,}76$ V và $E^\circ_{Ag^+/Ag}=+0{,}80$ V. Viết sơ đồ pin theo quy ước, hai bán phản ứng ở mỗi điện cực, phương trình pin tổng đã cân bằng electron, và tính $E^\circ_{pin}$ .
Cho $E^\circ_{Zn^{2+}/Zn}=-0{,}76$ V và $E^\circ_{Ag^+/Ag}=+0{,}80$ V. Viết sơ đồ pin theo quy ước, hai bán phản ứng ở mỗi điện cực, phương trình pin tổng đã cân bằng electron, và tính $E^\circ_{pin}$.
2
$E^\circ_{Ag^+/Ag}>E^\circ_{Zn^{2+}/Zn}$ nên Ag là catot (cực dương), Zn là anot (cực âm).
$E^\circ_{Ag^+/Ag}>E^\circ_{Zn^{2+}/Zn}$ nên Ag là catot (cực dương), Zn là anot (cực âm).
3
$(-)\ Zn\ |\ Zn^{2+}\ ||\ Ag^+\ |\ Ag\ (+)$ .
$(-)\ Zn\ |\ Zn^{2+}\ ||\ Ag^+\ |\ Ag\ (+)$.
4
Anot (oxi hóa): $Zn\rightarrow Zn^{2+}+2e^-$ . Catot (khử): $Ag^++e^-\rightarrow Ag$ , nhân 2 để cân bằng electron: $2Ag^++2e^-\rightarrow 2Ag$ .
Anot (oxi hóa): $Zn\rightarrow Zn^{2+}+2e^-$. Catot (khử): $Ag^++e^-\rightarrow Ag$, nhân 2 để cân bằng electron: $2Ag^++2e^-\rightarrow 2Ag$.
5
Cộng hai bán phản ứng: $Zn+2Ag^+\rightarrow Zn^{2+}+2Ag$ .
Cộng hai bán phản ứng: $Zn+2Ag^+\rightarrow Zn^{2+}+2Ag$.
6
$E^\circ_{pin}=E^\circ_{catot}-E^\circ_{anot}=0{,}80-(-0{,}76)=1{,}56$ V — không nhân theo hệ số 2 của bán phản ứng catot.
$E^\circ_{pin}=E^\circ_{catot}-E^\circ_{anot}=0{,}80-(-0{,}76)=1{,}56$ V — không nhân theo hệ số 2 của bán phản ứng catot.
7
Vậy sơ đồ pin là $(-)\ Zn\ |\ Zn^{2+}\ ||\ Ag^+\ |\ Ag\ (+)$ , phương trình pin tổng $Zn+2Ag^+\rightarrow Zn^{2+}+2Ag$ , suất điện động chuẩn $1{,}56$ V.
Vậy sơ đồ pin là $(-)\ Zn\ |\ Zn^{2+}\ ||\ Ag^+\ |\ Ag\ (+)$, phương trình pin tổng $Zn+2Ag^+\rightarrow Zn^{2+}+2Ag$, suất điện động chuẩn $1{,}56$ V.

Ghép nhiều pin — nối tiếp và song song

Nguyên lý mạch điện học ở Vật lí áp dụng nguyên vẹn cho pin hóa học: ghép nối tiếp nhiều pin giống hệt nhau (cực dương pin này nối cực âm pin kia) làm suất điện động tổng cộng dồn bằng tổng các suất điện động thành phần, còn dòng điện tối đa vẫn như một pin đơn. Ghép song song (cực cùng dấu nối với nhau) giữ nguyên suất điện động của một pin, nhưng cho phép dòng điện tổng lớn hơn vì có nhiều đường dẫn electron song song.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Ba pin Zn–Cu giống hệt nhau ghép nối tiếp

1
Ba pin Galvani Zn–Cu giống hệt nhau, mỗi pin có $E^\circ_{pin}=1{,}10$ V, được ghép nối tiếp thành một khối pin. Tính suất điện động chuẩn của cả khối.
Ba pin Galvani Zn–Cu giống hệt nhau, mỗi pin có $E^\circ_{pin}=1{,}10$ V, được ghép nối tiếp thành một khối pin. Tính suất điện động chuẩn của cả khối.
2
Ghép nối tiếp thì các suất điện động cộng dồn, giống ba viên pin AA xếp chồng trong đèn pin.
3
$E^\circ_{khoi}=3\times E^\circ_{pin}=3\times1{,}10=3{,}30$ V.
$E^\circ_{khoi}=3\times E^\circ_{pin}=3\times1{,}10=3{,}30$ V.
4
Vậy khối ba pin nối tiếp cho suất điện động $3{,}30$ V — gấp ba một pin đơn, trong khi nếu ghép song song ba pin này, suất điện động vẫn chỉ $1{,}10$ V nhưng dòng điện tối đa cung cấp được tăng gấp ba.
Vậy khối ba pin nối tiếp cho suất điện động $3{,}30$ V — gấp ba một pin đơn, trong khi nếu ghép song song ba pin này, suất điện động vẫn chỉ $1{,}10$ V nhưng dòng điện tối đa cung cấp được tăng gấp ba.

Bẫy thường gặp

Bẫy hay gặp: đảo ngược dấu cực giữa pin Galvani và bình điện phân. Ở pin Galvani, cực âm là nơi oxi hóa (anot); ở bình điện phân (chương sau), cực âm nối với cực âm nguồn ngoài lại là nơi diễn ra sự khử — tức đổi vai trò catot/anot so với tên gọi dấu cực. Luôn xác định trước đó là pin tự phát hay bình bị áp đặt dòng điện ngoài rồi mới gọi tên cực.

Tóm tắt

Sơ đồ pin quy ước: cực âm trái, cực dương phải, $|$ ngăn pha, $||$ là cầu muối. Ghép nối tiếp cộng dồn suất điện động; ghép song song cộng dồn dòng điện tối đa, giữ nguyên suất điện động. Dấu cực của pin Galvani ngược hẳn với bình điện phân.

Ăn mòn kim loại trong tự nhiên chính là một "pin Galvani ngoài ý muốn": kim loại hoạt động hơn tự đóng vai trò cực âm và bị ăn mòn dần. Chương tiếp theo định lượng chính xác tốc độ ăn mòn đó bằng công thức Faraday, và dạy cách chủ động biến kết cấu cần bảo vệ thành cực dương để nó không bị ăn mòn.