Bài học

Dãy thế điện cực chuẩn và quy tắc dự đoán phản ứng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em sắp xếp được các kim loại theo dãy thế điện cực chuẩn và áp dụng quy tắc $\alpha$ để dự đoán một phản ứng giữa kim loại với ion kim loại (hoặc với acid) có xảy ra tự phát hay không, đồng thời viết được phương trình ion thu gọn của phản ứng đó.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em cách đọc một cặp $M^{n+}/M$ và ý nghĩa của $E^\circ$ : giá trị càng nhỏ thì kim loại càng dễ nhường electron. Bài này gộp nhiều cặp lại thành một dãy có thứ tự, rồi biến việc so sánh từng đôi một thành một quy tắc đọc nhanh trên cả dãy.

Bài trước đã cho em cách đọc một cặp $M^{n+}/M$ và ý nghĩa của $E^\circ$: giá trị càng nhỏ thì kim loại càng dễ nhường electron. Bài này gộp nhiều cặp lại thành một dãy có thứ tự, rồi biến việc so sánh từng đôi một thành một quy tắc đọc nhanh trên cả dãy.

Khởi động

Fe có phản ứng với dung dịch $AgNO_3$ hay không? Nếu chỉ nhớ rời rạc từng thí nghiệm, em phải tra cứu hoặc thử nghiệm mới biết. Nhưng nếu đã có dãy thế điện cực chuẩn xếp sẵn theo thứ tự, câu trả lời hiện ra chỉ bằng một phép so sánh vị trí trên dãy — không cần nhớ riêng phản ứng nào cả.

Kiến thức trọng tâm

Dãy thế điện cực chuẩn xếp các cặp $M^{n+}/M$ theo chiều $E^\circ$ tăng dần. Với các kim loại phổ biến trong chương trình, dãy đó là: $K^{+}/K$ ( $-2{,}93$ V), $Ca^{2+}/Ca$ ( $-2{,}87$ V), $Na^{+}/Na$ ( $-2{,}71$ V), $Mg^{2+}/Mg$ ( $-2{,}37$ V), $Al^{3+}/Al$ ( $-1{,}66$ V), $Zn^{2+}/Zn$ ( $-0{,}76$ V), $Fe^{2+}/Fe$ ( $-0{,}44$ V), $Ni^{2+}/Ni$ ( $-0{,}26$ V), $Sn^{2+}/Sn$ ( $-0{,}14$ V), $Pb^{2+}/Pb$ ( $-0{,}13$ V), $2H^{+}/H_2$ ( $0{,}00$ V), $Cu^{2+}/Cu$ ( $+0{,}34$ V), $Ag^{+}/Ag$ ( $+0{,}80$ V), $Au^{3+}/Au$ ( $+1{,}50$ V). Càng về bên trái dãy (E độ càng âm), kim loại càng hoạt động mạnh, càng dễ bị oxi hoá; càng về bên phải, ion kim loại càng dễ bị khử — đây chính là bản dãy hoạt động hoá học lớp dưới, nay được gắn thêm con số cụ thể.

**Dãy thế điện cực chuẩn** xếp các cặp $M^{n+}/M$ theo chiều $E^\circ$ tăng dần. Với các kim loại phổ biến trong chương trình, dãy đó là: $K^{+}/K$ ($-2{,}93$ V), $Ca^{2+}/Ca$ ($-2{,}87$ V), $Na^{+}/Na$ ($-2{,}71$ V), $Mg^{2+}/Mg$ ($-2{,}37$ V), $Al^{3+}/Al$ ($-1{,}66$ V), $Zn^{2+}/Zn$ ($-0{,}76$ V), $Fe^{2+}/Fe$ ($-0{,}44$ V), $Ni^{2+}/Ni$ ($-0{,}26$ V), $Sn^{2+}/Sn$ ($-0{,}14$ V), $Pb^{2+}/Pb$ ($-0{,}13$ V), $2H^{+}/H_2$ ($0{,}00$ V), $Cu^{2+}/Cu$ ($+0{,}34$ V), $Ag^{+}/Ag$ ($+0{,}80$ V), $Au^{3+}/Au$ ($+1{,}50$ V). Càng về bên trái dãy (E độ càng âm), kim loại càng hoạt động mạnh, càng dễ bị oxi hoá; càng về bên phải, ion kim loại càng dễ bị khử — đây chính là bản dãy hoạt động hoá học lớp dưới, nay được gắn thêm con số cụ thể.

Quy tắc $\alpha$ : xét hai cặp oxi hoá – khử $Ox_1/Kh_1$ và $Ox_2/Kh_2$ với $E^\circ_1 < E^\circ_2$ . Phản ứng tự xảy ra theo chiều chất oxi hoá mạnh hơn ( $Ox_2$ , ở cặp có $E^\circ$ lớn hơn) oxi hoá chất khử mạnh hơn ( $Kh_1$ , ở cặp có $E^\circ$ nhỏ hơn), sinh ra $Ox_1$ và $Kh_2$ — hai chất yếu hơn. Áp dụng cho kim loại: kim loại đứng trước trong dãy (E độ nhỏ hơn) đẩy được ion kim loại đứng sau (E độ lớn hơn) ra khỏi dung dịch muối, đồng thời chính kim loại đứng trước bị oxi hoá thành ion. Với các kim loại đứng trước $2H^{+}/H_2$ (từ K đến Pb), kim loại còn đẩy được khí $H_2$ ra khỏi dung dịch acid loãng như HCl, $H_2SO_4$ loãng.

**Quy tắc $\alpha$**: xét hai cặp oxi hoá – khử $Ox_1/Kh_1$ và $Ox_2/Kh_2$ với $E^\circ_1 < E^\circ_2$. Phản ứng tự xảy ra theo chiều chất oxi hoá mạnh hơn ($Ox_2$, ở cặp có $E^\circ$ lớn hơn) oxi hoá chất khử mạnh hơn ($Kh_1$, ở cặp có $E^\circ$ nhỏ hơn), sinh ra $Ox_1$ và $Kh_2$ — hai chất yếu hơn. Áp dụng cho kim loại: **kim loại đứng trước trong dãy (E độ nhỏ hơn) đẩy được ion kim loại đứng sau (E độ lớn hơn) ra khỏi dung dịch muối**, đồng thời chính kim loại đứng trước bị oxi hoá thành ion. Với các kim loại đứng trước $2H^{+}/H_2$ (từ K đến Pb), kim loại còn đẩy được khí $H_2$ ra khỏi dung dịch acid loãng như HCl, $H_2SO_4$ loãng.

Ba nhóm kim loại theo vị trí trên dãy thế điện cực chuẩn.

Ví dụ

Dự đoán phản ứng Fe với dung dịch AgNO3

1
Cho một đinh sắt vào dung dịch $AgNO_3$ . Dự đoán hiện tượng và viết phương trình phản ứng (nếu có).
Cho một đinh sắt vào dung dịch $AgNO_3$. Dự đoán hiện tượng và viết phương trình phản ứng (nếu có).
2
Ta có $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44$ V $< E^\circ(Ag^{+}/Ag) = +0{,}80$ V, nghĩa là Fe đứng trước Ag trong dãy thế điện cực chuẩn.
Ta có $E^\circ(Fe^{2+}/Fe) = -0{,}44$ V $< E^\circ(Ag^{+}/Ag) = +0{,}80$ V, nghĩa là Fe đứng trước Ag trong dãy thế điện cực chuẩn.
3
Theo quy tắc $\alpha$ , kim loại đứng trước (Fe) đẩy được ion kim loại đứng sau ( $Ag^{+}$ ) ra khỏi dung dịch muối, đồng thời Fe bị oxi hoá. Với $Ag^{+}$ dư, Fe bị oxi hoá đến $Fe^{2+}$ trước — mức oxi hoá hình thành khi kim loại phản ứng trực tiếp với muối. Phương trình: $Fe + 2AgNO_3 \to Fe(NO_3)_2 + 2Ag$ .
Theo quy tắc $\alpha$, kim loại đứng trước (Fe) đẩy được ion kim loại đứng sau ($Ag^{+}$) ra khỏi dung dịch muối, đồng thời Fe bị oxi hoá. Với $Ag^{+}$ dư, Fe bị oxi hoá đến $Fe^{2+}$ trước — mức oxi hoá hình thành khi kim loại phản ứng trực tiếp với muối. Phương trình: $Fe + 2AgNO_3 \to Fe(NO_3)_2 + 2Ag$.
4
Vậy có phản ứng xảy ra: đinh sắt tan dần, xuất hiện lớp bạc kim loại màu trắng xám bám lên bề mặt đinh, dung dịch chuyển từ không màu sang có màu lục nhạt của $Fe^{2+}$ .
Vậy có phản ứng xảy ra: đinh sắt tan dần, xuất hiện lớp bạc kim loại màu trắng xám bám lên bề mặt đinh, dung dịch chuyển từ không màu sang có màu lục nhạt của $Fe^{2+}$.

Ví dụ

Xác định cặp phản ứng và tính khối lượng chất rắn

1
Nhúng một thanh Zn có khối lượng 20 g vào 200 mL dung dịch $CuSO_4$ 1 mol/L cho đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn. Viết phương trình ion thu gọn và tính khối lượng thanh kim loại sau phản ứng, giả sử toàn bộ Cu sinh ra bám lên thanh Zn.
Nhúng một thanh Zn có khối lượng 20 g vào 200 mL dung dịch $CuSO_4$ 1 mol/L cho đến khi phản ứng xảy ra hoàn toàn. Viết phương trình ion thu gọn và tính khối lượng thanh kim loại sau phản ứng, giả sử toàn bộ Cu sinh ra bám lên thanh Zn.
2
Ta có $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V $< E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V nên Zn đứng trước Cu, Zn đẩy được $Cu^{2+}$ ra khỏi dung dịch. Phương trình ion thu gọn: $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$ .
Ta có $E^\circ(Zn^{2+}/Zn) = -0{,}76$ V $< E^\circ(Cu^{2+}/Cu) = +0{,}34$ V nên Zn đứng trước Cu, Zn đẩy được $Cu^{2+}$ ra khỏi dung dịch. Phương trình ion thu gọn: $Zn + Cu^{2+} \to Zn^{2+} + Cu$.
3
Số mol $Cu^{2+}$ ban đầu: $n(CuSO_4) = 0{,}2 \times 1 = 0{,}2$ mol. Lượng Zn cần dùng vừa đủ là $0{,}2 \times 65 = 13$ g, nhỏ hơn 20 g đã cho (TMĐK Zn còn dư), nên $CuSO_4$ phản ứng hết: $n(Zn \text{ phản ứng}) = n(Cu \text{ sinh ra}) = 0{,}2$ mol.
Số mol $Cu^{2+}$ ban đầu: $n(CuSO_4) = 0{,}2 \times 1 = 0{,}2$ mol. Lượng Zn cần dùng vừa đủ là $0{,}2 \times 65 = 13$ g, nhỏ hơn 20 g đã cho (TMĐK Zn còn dư), nên $CuSO_4$ phản ứng hết: $n(Zn \text{ phản ứng}) = n(Cu \text{ sinh ra}) = 0{,}2$ mol.
4
Khối lượng Zn tan ra: $0{,}2 \times 65 = 13$ g. Khối lượng Cu bám vào: $0{,}2 \times 64 = 12{,}8$ g. Độ thay đổi khối lượng thanh: $\Delta m = 12{,}8 - 13 = -0{,}2$ g (khối lượng thanh giảm 0,2 g).
Khối lượng Zn tan ra: $0{,}2 \times 65 = 13$ g. Khối lượng Cu bám vào: $0{,}2 \times 64 = 12{,}8$ g. Độ thay đổi khối lượng thanh: $\Delta m = 12{,}8 - 13 = -0{,}2$ g (khối lượng thanh giảm 0,2 g).
5
Vậy khối lượng thanh kim loại sau phản ứng là $20 - 0{,}2 = 19{,}8$ g.
Vậy khối lượng thanh kim loại sau phản ứng là $20 - 0{,}2 = 19{,}8$ g.

Sai lầm thường gặp

Một sai lầm phổ biến là áp dụng quy tắc $\alpha$ cho cả Na, K khi nhúng vào dung dịch muối — nghĩ rằng Na sẽ "đẩy" trực tiếp ion kim loại trong dung dịch giống Zn hay Fe. Thực tế Na, K (và Ca) hoạt động quá mạnh nên phản ứng ngay với nước trong dung dịch trước: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2$ , rồi $NaOH$ mới có thể phản ứng tiếp với muối. Quy tắc $\alpha$ áp dụng trực tiếp và an toàn nhất cho các kim loại từ Mg trở đi.

Một sai lầm phổ biến là áp dụng quy tắc $\alpha$ cho cả Na, K khi nhúng vào dung dịch muối — nghĩ rằng Na sẽ "đẩy" trực tiếp ion kim loại trong dung dịch giống Zn hay Fe. Thực tế Na, K (và Ca) hoạt động quá mạnh nên phản ứng ngay với nước trong dung dịch trước: $2Na + 2H_2O \to 2NaOH + H_2$, rồi $NaOH$ mới có thể phản ứng tiếp với muối. Quy tắc $\alpha$ áp dụng trực tiếp và an toàn nhất cho các kim loại từ Mg trở đi.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Dãy thế điện cực chuẩn xếp các cặp $M^{n+}/M$ theo $E^\circ$ tăng dần. Quy tắc $\alpha$ : kim loại đứng trước (E độ nhỏ hơn) đẩy được ion kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối; kim loại đứng trước $2H^{+}/H_2$ đẩy được khí $H_2$ khỏi acid loãng. Riêng K, Na, Ca phản ứng với nước trước khi có cơ hội phản ứng với muối.

Dãy thế điện cực chuẩn xếp các cặp $M^{n+}/M$ theo $E^\circ$ tăng dần. Quy tắc $\alpha$: kim loại đứng trước (E độ nhỏ hơn) đẩy được ion kim loại đứng sau ra khỏi dung dịch muối; kim loại đứng trước $2H^{+}/H_2$ đẩy được khí $H_2$ khỏi acid loãng. Riêng K, Na, Ca phản ứng với nước trước khi có cơ hội phản ứng với muối.

Cầu nối

Phản ứng oxi hoá – khử tự xảy ra giữa hai cặp cách nhau trên dãy chính là nguồn gốc của dòng điện trong một loại thiết bị quen thuộc: pin điện hoá. Bài sau ta học cách lắp một cặp oxi hoá – khử thành pin thật và tính suất điện động của nó.