Đang tải bài học…

AP Chemistry

cực âm (anot)

anode

Còn gọi: anot · cực anot · nơi xảy ra oxi hóa

Cực âm (anot) là điện cực nơi xảy ra quá trình oxi hóa, tức nơi chất khử nhường electron cho mạch ngoài, trong mọi loại pin điện hóa.

Trong một hệ điện hóa, hai điện cực không được phân biệt bằng dấu điện tích mà bằng phản ứng diễn ra trên bề mặt chúng. Cực âm, hay anot, là điện cực mà tại đó xảy ra quá trình oxi hóa, nghĩa là nguyên tử hoặc ion ở đó mất điện tử và tăng số oxi hóa. Cách nhớ quen thuộc trong đề thi là "AN OX" — anot đi với quá trình oxi hóa. Vì vậy, muốn xác định anot của một pin, bạn không nhìn dấu ghi trên vỏ mà nhìn xem chất nào bị oxi hóa.

Điện tử sinh ra tại anot không đi xuyên qua dung dịch mà chạy theo dây dẫn ngoài sang catot. Chẳng hạn, với thanh kẽm nhúng trong dung dịch muối kẽm, quá trình đó được viết là

$\mathrm{Zn(s)} \longrightarrow \mathrm{Zn^{2+}(aq)} + 2e^-$

nghĩa là kim loại kẽm tan dần vào dung dịch dưới dạng ion và để lại hai điện tử trên điện cực. Do dòng điện tử luôn rời khỏi anot, khối lượng điện cực kim loại ở phía này thường giảm theo thời gian, và các ion âm trong cầu muối (salt bridge) phải di chuyển về phía anot để trung hòa lượng điện tích dương vừa sinh ra.

Điểm dễ mất điểm nhất là dấu của anot, bởi nó phụ thuộc vào loại thiết bị. Trong pin galvani (galvanic cell), phản ứng tự diễn biến nên anot tích điện âm; ngược lại, trong bình điện phân (electrolytic cell), nguồn điện ngoài đẩy phản ứng đi ngược chiều tự nhiên và anot lại là cực dương. Dù dấu đổi, bản chất oxi hóa tại anot thì không bao giờ đổi.

Do đó, khi tính sức điện động chuẩn, ta luôn dựa vào vai trò hóa học của từng điện cực chứ không dựa vào dấu, với công thức

$E^\circ_{cell} = E^\circ_{cathode} - E^\circ_{anode}$

trong đó $E^\circ_{anode}$ là thế khử chuẩn tra bảng của nửa phản ứng (half-reaction) ở anot, giữ nguyên dấu bảng chứ không đảo. Nhờ đó, kết quả $E^\circ_{cell} > 0$ báo hiệu pin hoạt động tự phát.

Ký hiệu

•anode
• $E^\circ_{anode}$
•ký hiệu (−) trong pin Galvani, (+) trong bình điện phân

Trực giác: Anot giống cửa ra của một nhà ga electron: chất ở đó buông electron và đẩy chúng lên đường dây đi nơi khác.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1834Michael FaradayWilliam Whewell

Thuật ngữ "anode" được Michael Faraday công bố năm 1834 trong bài báo về điện phân, theo gợi ý đặt tên của học giả William Whewell, nhằm gọi tên điện cực nơi dòng điện đi vào chất điện li.

Đầu thập niên 1830, quá trình điện phân (electrolysis) vừa được khảo sát có hệ thống nhưng chưa có bộ từ vựng thống nhất để mô tả hai đầu dẫn điện nhúng trong dung dịch. Khi chuẩn bị công bố loạt nghiên cứu về điện, Faraday cần những cái tên trung tính, không ràng buộc vào các giả thuyết đang tranh cãi, nên đã hỏi ý kiến Whewell — một học giả nổi tiếng về khả năng chế tạo từ mới từ gốc Hy Lạp. Kết quả là cả một hệ thuật ngữ ra đời cùng lúc trong bài báo năm 1834: điện cực (electrode), cực âm, cực dương, cùng với anion và cation. Nhờ bộ tên gọi này, người ta lần đầu có cách nói gọn về hướng đi của dòng điện qua chất điện li.

Hay hiểu sai

Cực âm không phải lúc nào cũng mang dấu âm.

Thế điện cực chuẩn của pin là hiệu hai thế khử, không phải tổng.

Không nhân $E^\circ$ với hệ số khi cân bằng số electron.

Anion trong cầu muối chạy về cực âm, và lý do là cân bằng điện tích.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một pin galvani được lắp từ hai nửa pin: thanh Cu nhúng trong dung dịch

\mathrm{Cu(NO_3)_2}\ 1{,}0\ \mathrm{M}

và thanh Ag nhúng trong dung dịch

\mathrm{AgNO_3}\ 1{,}0\ \mathrm{M}

, nối với nhau bằng cầu muối (salt bridge) chứa

\mathrm{KNO_3}

. Thế khử chuẩn (standard reduction potential) của hai cặp là

E^\circ_\mathrm{red}(\mathrm{Ag^+/Ag}) = +0{,}80\ \mathrm{V}

và

E^\circ_\mathrm{red}(\mathrm{Cu^{2+}/Cu}) = +0{,}34\ \mathrm{V}

. Pin hoạt động ở điều kiện chuẩn,

25\ ^\circ\mathrm{C}

aXác định điện cực nào là cực âm (anot) và viết bán phản ứng xảy ra tại đó.
bTính $E^\circ_\text{cell}$ và $\Delta G^\circ$ của phản ứng tổng cộng.
cTrong khi pin phóng điện, các ion $\mathrm{NO_3^-}$ trong cầu muối di chuyển về nửa pin nào? Giải thích.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyỨng dụng nhiệt động · bài “Pin Galvani (Volta) và bình điện phân” — khoá AP Chemistry

Cần trướcđiện cực sự oxid hóa

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

cực dương (catot) (cathode)cathode

Khác nhau ở đâuAnot là nơi xảy ra sự oxid hóa; trong pin Galvani anot là cực âm. Catot là nơi xảy ra sự khử; trong pin Galvani catot là cực dương.

Hay nhầm khiĐề hỏi cực nào mang điện dương hay điện âm, hoặc hỏi quá trình oxid hóa hay khử xảy ra ở điện cực nào

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 95, 337, 576.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp ἄνοδος (anodos), ghép bởi ana nghĩa là "lên" và hodos nghĩa là "đường đi", tức "đường đi lên". Cách đặt tên này gắn với một hình dung rất cụ thể của Faraday: ông tưởng tượng bình điện phân được đặt sao cho dòng điện chạy qua dung dịch theo hướng từ Đông sang Tây, giống hướng Mặt Trời chuyển động biểu kiến, và cực này nằm ở phía Đông — nơi Mặt Trời mọc, tức "đường mà Mặt Trời đi lên". Do đó cái tên mô tả hướng dòng điện đi vào chất điện li chứ không mô tả dấu điện tích, và đây là lý do vì sao một điện cực có thể mang dấu dương trong pin điện phân nhưng mang dấu âm trong pin galvanic mà tên gọi vẫn không đổi. Về sau, khi electron được phát hiện, người ta đề xuất một cách nhớ dễ hơn — "đường đi lên" là lối ra của electron khỏi thiết bị — nhưng cách giải thích ấy chỉ tiện cho trí nhớ chứ không đúng với lịch sử. Người anh em đối xứng của nó, cực dương (cathode), sinh ra cùng năm từ κάθοδος nghĩa là "đường đi xuống".

Mẹo phòng thi

Viết ra chữ "oxidation at anode" ngay khi bắt đầu bài pin điện.

Khi đề cho $\Delta G^\circ$ và bảng thế khử, hãy đi ngược từ $\Delta G^\circ=-nFE^\circ_\text{cell}$ .

Kiểm tra dấu của $E^\circ_\text{cell}$ trước khi kết luận về tính tự diễn biến.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 1: So sánh hai giá trị thế khử để biết bên nào bị oxi hóa. Cặp có thế khử lớn hơn (

\mathrm{Ag^+/Ag}

+0{,}80\ \mathrm{V}

) giữ electron mạnh hơn nên đóng vai trò nhận electron, tức là cực dương (catot). Cặp còn lại,

\mathrm{Cu^{2+}/Cu}

với

+0{,}34\ \mathrm{V}

, buộc phải nhường electron, nên thanh Cu chính là cực âm. Bán phản ứng (half-reaction) tại cực âm là quá trình oxi hóa:

\mathrm{Cu}(s) \rightarrow \mathrm{Cu^{2+}}(aq) + 2e^-

2Bước 2: Áp dụng

E^\circ_\text{cell} = E^\circ_\mathrm{red}(\text{catot}) - E^\circ_\mathrm{red}(\text{anot})

, ta được

E^\circ_\text{cell} = 0{,}80 - 0{,}34 = +0{,}46\ \mathrm{V}

. Lưu ý rằng ta trừ hai giá trị thế khử chứ không đổi dấu rồi cộng vào hệ số cân bằng: thế điện cực là đại lượng cường độ, không nhân với hệ số tỉ lượng.

3Bước 3: Cân bằng số electron để viết phản ứng tổng: nhân bán phản ứng của bạc với 2, thu được

\mathrm{Cu}(s) + 2\mathrm{Ag^+}(aq) \rightarrow \mathrm{Cu^{2+}}(aq) + 2\mathrm{Ag}(s)

, vậy

n = 2

. Thay vào

\Delta G^\circ = -nFE^\circ_\text{cell}

với

F = 96\,485\ \mathrm{C/mol}

\Delta G^\circ = -(2)(96\,485)(0{,}46) = -8{,}88\times10^4\ \mathrm{J} \approx -88{,}8\ \mathrm{kJ/mol_{rxn}}

. Giá trị âm khẳng định phản ứng tự diễn biến, đúng với một pin galvani.

4Bước 4: Xét sự tích điện ở hai ngăn. Tại cực âm, mỗi nguyên tử Cu tan ra để lại

\mathrm{Cu^{2+}}

trong dung dịch, làm ngăn này dư điện tích dương; ngược lại ngăn bạc mất dần

\mathrm{Ag^+}

nên dư điện tích âm. Do đó anion

\mathrm{NO_3^-}

từ cầu muối phải chảy về ngăn chứa Cu, tức về phía cực âm, còn

\mathrm{K^+}

đi về ngăn bạc. Nhờ dòng ion này mà hai dung dịch luôn trung hòa điện và pin tiếp tục phóng điện.

Thanh Cu là cực âm với bán phản ứng oxi hóa $\mathrm{Cu}(s) \rightarrow \mathrm{Cu^{2+}}(aq) + 2e^-$ ; pin có $E^\circ_\text{cell} = +0{,}46\ \mathrm{V}$ và $\Delta G^\circ \approx -88{,}8\ \mathrm{kJ/mol_{rxn}}$ , tức phản ứng tự xảy ra. Trong cầu muối, các ion $\mathrm{NO_3^-}$ di chuyển về nửa pin đồng để bù lại lượng $\mathrm{Cu^{2+}}$ sinh ra tại cực âm.

2Ví dụ 2/2

Người ta điện phân

\mathrm{NaCl}

nóng chảy trong bình điện phân (electrolytic cell) dùng hai điện cực trơ, cho dòng điện không đổi

2{,}00\ \mathrm{A}

chạy qua trong

30{,}0

phút. Cho

F = 96\,485\ \mathrm{C/mol}\ e^-

và

M(\mathrm{Cl_2}) = 70{,}90\ \mathrm{g/mol}

aViết bán phản ứng tại cực âm (anot) và cho biết cực này mang dấu gì.
bTính khối lượng khí thoát ra tại cực âm.

1Bước 1: Trong mọi loại pin, cực âm luôn là nơi xảy ra sự oxi hóa; điều thay đổi chỉ là dấu của điện cực. Ở đây chất bị oxi hóa là ion clorua, nên bán phản ứng là

2\mathrm{Cl^-}(l) \rightarrow \mathrm{Cl_2}(g) + 2e^-

, còn tại điện cực kia

\mathrm{Na^+}

bị khử thành natri lỏng. Tuy nhiên, vì nguồn điện ngoài chủ động hút electron ra khỏi điện cực này, nó mang dấu dương — trái ngược với cực âm trong pin galvani.

2Bước 2: Tính điện lượng đã đi qua bình. Đổi thời gian sang giây:

t = 30{,}0 \times 60 = 1800\ \mathrm{s}

, rồi dùng

Q = It = (2{,}00)(1800) = 3600\ \mathrm{C}

. Số mol electron trao đổi là

n_{e^-} = Q/F = 3600/96\,485 = 3{,}73\times10^{-2}\ \mathrm{mol}

3Bước 3: Bán phản ứng cho thấy cứ

2

mol electron thì tạo

1

mol

\mathrm{Cl_2}

, do đó

n(\mathrm{Cl_2}) = 3{,}73\times10^{-2}/2 = 1{,}87\times10^{-2}\ \mathrm{mol}

. Nhân với khối lượng mol:

m = (1{,}87\times10^{-2})(70{,}90) = 1{,}32\ \mathrm{g}

. Kết quả nhỏ như vậy là hợp lý, vì một culông điện lượng chỉ ứng với khoảng

10^{-5}

mol electron.

Tại cực âm xảy ra $2\mathrm{Cl^-}(l) \rightarrow \mathrm{Cl_2}(g) + 2e^-$ ; trong bình điện phân, điện cực này mang dấu dương dù vẫn là nơi oxi hóa. Sau $30{,}0$ phút điện phân với dòng $2{,}00\ \mathrm{A}$ , lượng khí clo thoát ra là $1{,}32\ \mathrm{g}$ .

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.