Bài học

Pin điện hoá (pin Galvani): cấu tạo và suất điện động chuẩn

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được cấu tạo của pin điện hoá (pin Galvani), viết đúng bán phản ứng oxi hoá ở cực âm (anode) và bán phản ứng khử ở cực dương (cathode), và tính được suất điện động chuẩn $E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}$ .

Kiến thức nền cần nhớ

Hai bài trước đã cho em công cụ để dự đoán MỘT phản ứng oxi hoá – khử có xảy ra tự phát hay không, dựa vào $E^\circ$ và quy tắc $\alpha$ . Bài này dùng chính phản ứng tự phát đó, nhưng tách electron ra khỏi con đường trao đổi trực tiếp giữa hai chất — bắt nó phải "đi vòng" qua một dây dẫn ngoài. Chính đường vòng đó tạo ra dòng điện.

Hai bài trước đã cho em công cụ để dự đoán MỘT phản ứng oxi hoá – khử có xảy ra tự phát hay không, dựa vào $E^\circ$ và quy tắc $\alpha$. Bài này dùng chính phản ứng tự phát đó, nhưng tách electron ra khỏi con đường trao đổi trực tiếp giữa hai chất — bắt nó phải "đi vòng" qua một dây dẫn ngoài. Chính đường vòng đó tạo ra dòng điện.

Khởi động

Chiếc đồng hồ treo tường, cái điều khiển tivi, món đồ chơi chạy pin — tất cả đều lấy điện từ một viên pin nhỏ. Nguồn gốc dòng điện ấy chính là phản ứng oxi hoá – khử tự xảy ra mà em vừa học, chỉ khác một điểm mấu chốt: electron không nhảy trực tiếp từ chất khử sang chất oxi hoá như khi nhúng thanh Zn vào dung dịch $CuSO_4$ , mà bị bắt phải đi qua một dây dẫn bên ngoài trước.

Chiếc đồng hồ treo tường, cái điều khiển tivi, món đồ chơi chạy pin — tất cả đều lấy điện từ một viên pin nhỏ. Nguồn gốc dòng điện ấy chính là phản ứng oxi hoá – khử tự xảy ra mà em vừa học, chỉ khác một điểm mấu chốt: electron không nhảy trực tiếp từ chất khử sang chất oxi hoá như khi nhúng thanh Zn vào dung dịch $CuSO_4$, mà bị bắt phải đi qua một dây dẫn bên ngoài trước.

Kiến thức trọng tâm

Pin điện hoá (pin Galvani), điển hình là pin Zn–Cu (pin Daniell), gồm hai điện cực đặt trong hai cốc riêng biệt: một thanh Zn nhúng trong dung dịch $ZnSO_4$ , một thanh Cu nhúng trong dung dịch $CuSO_4$ , nối với nhau bằng một dây dẫn (qua ampe kế) và một cầu muối (ống chứa dung dịch điện li như $KNO_3$ , cho phép ion di chuyển qua lại giữa hai cốc để trung hoà điện tích, nhưng không cho hai dung dịch trộn lẫn trực tiếp). Việc tách hai bán phản ứng ra hai cốc riêng buộc electron phải di chuyển qua dây dẫn ngoài thay vì trao đổi trực tiếp — chính dòng electron đó là dòng điện của pin.

**Pin điện hoá** (pin Galvani), điển hình là pin Zn–Cu (pin Daniell), gồm hai điện cực đặt trong hai cốc riêng biệt: một thanh Zn nhúng trong dung dịch $ZnSO_4$, một thanh Cu nhúng trong dung dịch $CuSO_4$, nối với nhau bằng một dây dẫn (qua ampe kế) và một **cầu muối** (ống chứa dung dịch điện li như $KNO_3$, cho phép ion di chuyển qua lại giữa hai cốc để trung hoà điện tích, nhưng không cho hai dung dịch trộn lẫn trực tiếp). Việc tách hai bán phản ứng ra hai cốc riêng buộc electron phải di chuyển qua dây dẫn ngoài thay vì trao đổi trực tiếp — chính dòng electron đó là dòng điện của pin.

Tại anode (cực âm), kim loại hoạt động mạnh hơn (Zn, ứng với cặp có $E^\circ$ nhỏ hơn) bị oxi hoá: $Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-}$ . Electron sinh ra di chuyển qua dây dẫn ngoài đến điện cực còn lại. Tại cathode (cực dương), ion của kim loại yếu hơn (ứng với cặp có $E^\circ$ lớn hơn) nhận electron và bị khử: $Cu^{2+} + 2e^{-} \to Cu$ . Đồng thời trong cầu muối, cation di chuyển về phía cốc cathode và anion di chuyển về phía cốc anode để giữ cho cả hai dung dịch luôn trung hoà điện. Suất điện động chuẩn của pin được tính bằng $E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}$ ; với pin hoạt động tự phát, giá trị này luôn dương.

Tại **anode** (cực âm), kim loại hoạt động mạnh hơn (Zn, ứng với cặp có $E^\circ$ nhỏ hơn) bị **oxi hoá**: $Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-}$. Electron sinh ra di chuyển qua dây dẫn ngoài đến điện cực còn lại. Tại **cathode** (cực dương), ion của kim loại yếu hơn (ứng với cặp có $E^\circ$ lớn hơn) nhận electron và bị **khử**: $Cu^{2+} + 2e^{-} \to Cu$. Đồng thời trong cầu muối, cation di chuyển về phía cốc cathode và anion di chuyển về phía cốc anode để giữ cho cả hai dung dịch luôn trung hoà điện. Suất điện động chuẩn của pin được tính bằng $E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}$; với pin hoạt động tự phát, giá trị này luôn dương.

Bốn giai đoạn hoạt động của pin điện hoá Zn–Cu.

Ví dụ

Tính suất điện động chuẩn và viết bán phản ứng của pin Zn–Cu

1
Lắp một pin điện hoá từ hai cặp $Zn^{2+}/Zn$ ( $E^\circ = -0{,}76$ V) và $Cu^{2+}/Cu$ ( $E^\circ = +0{,}34$ V). Xác định cực âm, cực dương, viết hai bán phản ứng và tính $E^\circ_{pin}$ .
Lắp một pin điện hoá từ hai cặp $Zn^{2+}/Zn$ ($E^\circ = -0{,}76$ V) và $Cu^{2+}/Cu$ ($E^\circ = +0{,}34$ V). Xác định cực âm, cực dương, viết hai bán phản ứng và tính $E^\circ_{pin}$.
2
Cặp có $E^\circ$ nhỏ hơn ( $Zn^{2+}/Zn$ ) đóng vai trò cực âm (anode), nơi xảy ra oxi hoá; cặp có $E^\circ$ lớn hơn ( $Cu^{2+}/Cu$ ) đóng vai trò cực dương (cathode), nơi xảy ra khử.
Cặp có $E^\circ$ nhỏ hơn ($Zn^{2+}/Zn$) đóng vai trò cực âm (anode), nơi xảy ra oxi hoá; cặp có $E^\circ$ lớn hơn ($Cu^{2+}/Cu$) đóng vai trò cực dương (cathode), nơi xảy ra khử.
3
Anode (oxi hoá): $Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-}$ . Cathode (khử): $Cu^{2+} + 2e^{-} \to Cu$ . Phương trình tổng: $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$ .
Anode (oxi hoá): $Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-}$. Cathode (khử): $Cu^{2+} + 2e^{-} \to Cu$. Phương trình tổng: $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$.
4
$E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10$ V.
$E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode} = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10$ V.
5
Vậy pin Zn–Cu có cực âm là Zn, cực dương là Cu, và $E^\circ_{pin} = 1{,}10$ V.
Vậy pin Zn–Cu có cực âm là Zn, cực dương là Cu, và $E^\circ_{pin} = 1{,}10$ V.

Ví dụ

Pin Zn–Ag: xác định cực và tính khối lượng Ag sinh ra

1
Lắp pin điện hoá từ cặp $Zn^{2+}/Zn$ ( $E^\circ = -0{,}76$ V) và $Ag^{+}/Ag$ ( $E^\circ = +0{,}80$ V). Tính $E^\circ_{pin}$ , xác định cực âm/cực dương, và tính khối lượng Ag sinh ra ở cathode khi có 0,2 mol electron đã trao đổi.
Lắp pin điện hoá từ cặp $Zn^{2+}/Zn$ ($E^\circ = -0{,}76$ V) và $Ag^{+}/Ag$ ($E^\circ = +0{,}80$ V). Tính $E^\circ_{pin}$, xác định cực âm/cực dương, và tính khối lượng Ag sinh ra ở cathode khi có 0,2 mol electron đã trao đổi.
2
$E^\circ(Zn^{2+}/Zn) < E^\circ(Ag^{+}/Ag)$ nên Zn là cực âm (anode, oxi hoá), Ag là cực dương (cathode, khử). $E^\circ_{pin} = 0{,}80 - (-0{,}76) = 1{,}56$ V.
$E^\circ(Zn^{2+}/Zn) < E^\circ(Ag^{+}/Ag)$ nên Zn là cực âm (anode, oxi hoá), Ag là cực dương (cathode, khử). $E^\circ_{pin} = 0{,}80 - (-0{,}76) = 1{,}56$ V.
3
Tại cathode: $Ag^{+} + e^{-} \to Ag$ — mỗi mol electron trao đổi sinh ra đúng 1 mol Ag (khác với cặp Zn–Cu, ở đây hệ số electron của Ag là 1 chứ không phải 2).
Tại cathode: $Ag^{+} + e^{-} \to Ag$ — mỗi mol electron trao đổi sinh ra đúng 1 mol Ag (khác với cặp Zn–Cu, ở đây hệ số electron của Ag là 1 chứ không phải 2).
4
Với 0,2 mol electron trao đổi: $n(Ag) = n(e^{-}) = 0{,}2$ mol. Khối lượng Ag sinh ra: $m(Ag) = 0{,}2 \times 108 = 21{,}6$ g.
Với 0,2 mol electron trao đổi: $n(Ag) = n(e^{-}) = 0{,}2$ mol. Khối lượng Ag sinh ra: $m(Ag) = 0{,}2 \times 108 = 21{,}6$ g.
5
Vậy pin Zn–Ag có $E^\circ_{pin} = 1{,}56$ V, cực âm là Zn, cực dương là Ag, và khối lượng Ag sinh ra ở cathode là 21,6 g.
Vậy pin Zn–Ag có $E^\circ_{pin} = 1{,}56$ V, cực âm là Zn, cực dương là Ag, và khối lượng Ag sinh ra ở cathode là 21,6 g.

Sai lầm thường gặp

Đừng nhớ máy móc "cực âm luôn là nơi khử". Trong PIN (nguồn điện), cực âm (anode) là nơi oxi hoá vì đó là nơi electron được sinh ra và đẩy ra mạch ngoài; cực dương (cathode) là nơi khử. Quy tắc này sẽ đảo ngược một phần khi học điện phân — cần phân biệt rõ để không nhầm lẫn giữa hai loại thiết bị.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Pin điện hoá ghép hai cặp oxi hoá – khử trong hai cốc riêng, nối bằng dây dẫn và cầu muối. Cực âm (anode, $E^\circ$ nhỏ hơn) xảy ra oxi hoá; cực dương (cathode, $E^\circ$ lớn hơn) xảy ra khử. Suất điện động chuẩn $E^\circ_{pin} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}$ , luôn dương với pin tự phát.

Cầu nối

Pin lý thuyết đã rõ — nhưng viên pin con thỏ trong nhà em không dùng dung dịch lỏng và cầu muối. Bài sau đưa lý thuyết này vào những thiết bị thật: pin khô và ắc quy.