Đang tải bài học…

AP Chemistry

cực dương (catot)

cathode

Còn gọi: catot · cực catot · nơi xảy ra khử

Cực dương (catot) là điện cực nơi xảy ra quá trình khử, tức là quá trình nhận electron.

Mọi tế bào điện hóa (electrochemical cell), dù là pin Galvani (galvanic cell) hay bình điện phân (electrolytic cell), đều có hai điện cực nhúng trong dung dịch chất điện li, trong đó catot đóng vai trò là nơi tiếp nhận êlectron từ mạch ngoài. Tại bề mặt catot, chất oxi hóa nhận thêm êlectron và bị khử thành sản phẩm có số oxi hóa thấp hơn. Vì quá trình khử luôn gắn liền với việc nhận êlectron nên catot được định nghĩa dứt khoát qua bản chất phản ứng chứ không phải qua dấu của điện cực.

Chính sự thống nhất về bản chất này lại dễ gây nhầm lẫn khi xét đến dấu của catot trong hai loại tế bào. Trong pin Galvani, catot là cực dương vì các ion dương bị khử ngay tại bề mặt điện cực, khiến điện cực này tích điện dương so với anot. Ngược lại, trong bình điện phân, nguồn điện một chiều buộc phải bơm êlectron vào catot, khiến điện cực này mang điện tích âm. Tuy nhiên, dù dấu có thay đổi, bản chất của catot vẫn không đổi: đó là nơi chất oxi hóa nhận êlectron.

Một cách đơn giản để ghi nhớ, hãy hình dung catot như một trạm thu gom êlectron. Bất kỳ chất nào đi qua trạm này đều được phát thêm êlectron và do đó bị khử. Nhờ cách liên tưởng này, thí sinh có thể nhận ra catot trong mọi sơ đồ tế bào điện hóa mà không bị phụ thuộc vào quy ước dấu cực.

Trực giác: Catot giống như một trạm thu gom electron: mọi chất đi qua trạm đều được phát thêm electron và bị khử.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1834William WhewellMichael Faraday

Từ "cathode" được William Whewell đặt ra năm 1834, theo đề nghị của Michael Faraday khi ông cần một bộ tên gọi mới cho bài báo về hiện tượng điện phân (electrolysis) vừa được khám phá.

Đầu thập niên 1830, Faraday đang mô tả quá trình dòng điện đi qua dung dịch và làm phân hủy chất tan, nhưng ngôn ngữ khoa học lúc ấy chưa có tên riêng cho hai bản kim loại nhúng vào dung dịch. Vì vậy ông hỏi ý kiến Whewell, một học giả giỏi cổ ngữ, và nhận về cả một hệ thuật ngữ mới. Faraday hình dung tế bào điện phân được đặt sao cho dòng điện đi qua chất điện li (electrolyte) theo hướng từ Đông sang Tây, tức hướng mặt trời chuyển động; điện cực nơi dòng điện rời khỏi dung dịch nằm ở phía Tây, phía mặt trời lặn. Nhờ hình ảnh đó mà cái tên ra đời.

Thử nghiệm tương tác

Bấm từng bộ phận của pin Zn–Cu — xem catot luôn là nơi xảy ra sự khử

Hay hiểu sai

Cathode không phải lúc nào cũng mang dấu dương.

Cặp có thế khử chuẩn lớn hơn mới là cathode, không phải kim loại hoạt động mạnh hơn.

Anion trong cầu muối chạy về anode, không phải về cathode.

$E^\circ_\text{cell}$ là hiệu hai thế khử, không phải tổng.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Người ta ghép hai nửa pin thành một pin điện hóa: một thanh thiếc nhúng trong dung dịch

\text{Sn}^{2+}

1 M và một thanh vàng nhúng trong dung dịch

\text{Au}^{3+}

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

\text{KNO}_3

. Cho các thế khử chuẩn (standard reduction potential) ở

25\ ^\circ\text{C}

E^\circ_\mathrm{red}(\mathrm{Au^{3+}/Au}) = +1.50\ \mathrm{V}

và

E^\circ_\mathrm{red}(\mathrm{Sn^{2+}/Sn}) = -0.14\ \mathrm{V}

aĐiện cực nào là catot? Viết nửa phản ứng xảy ra ở catot và ở anot, rồi viết phương trình tổng của pin.
bTính $E^\circ_\text{cell}$ và cho biết phản ứng có tự diễn biến hay không.
cTrong quá trình pin hoạt động, ion $\text{NO}_3^-$ 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 nàyPhản ứng hóa học · bài “Phản ứng oxi hóa–khử (redox)” — khoá AP Chemistry

Cần trướcsự khử điện cực

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

cực âm (anot) (anode)anode

Khác nhau ở đâuCatot là điện cực xảy ra sự khử, nơi chất oxi hoá nhận electron. Anot là điện cực xảy ra sự oxi hoá, nơi chất khử nhường electron.

Hay nhầm khiNhầm dấu dương/âm của catot khi chuyển từ pin galvani sang bình điện phân, vì catot đổi dấu nhưng vẫn là nơi xảy ra sự khử

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13, 94–95.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp κάθοδος (kathodos), ghép bởi kata nghĩa là "xuống" và hodos nghĩa là "đường đi", tức "đường đi xuống". Lý do chọn chữ "xuống" nằm ở phép ví với mặt trời: điện cực này ứng với phía Tây, nơi mặt trời lặn, nghĩa là nơi ánh sáng đi xuống và khuất khỏi tầm nhìn. Ban đầu Faraday từng dùng chữ "exode", nghĩa là cửa ra của dòng điện, nhưng cuối cùng ông đổi sang cái tên mang ý "điện cực phía Tây". Về sau, khi electron được phát hiện, người ta đề xuất một cách nhớ dễ hơn và về mặt kỹ thuật thì bền vững hơn, dù xét theo lịch sử là sai: đó là "đường đi xuống" mà electron theo đó vào trong tế bào điện hóa. Cách hiểu này tiện cho việc học, vì nó gắn thẳng cái tên với quá trình nhận electron, tức phản ứng khử (reduction), và với các ion dương (cation) di chuyển về phía điện cực đó.

Bấm từng bộ phận của pin Zn–Cu — xem catot luôn là nơi xảy ra sự khử

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Viết rõ hai bán phản ứng và ghi chú vai trò trước khi tính bất cứ số nào.

Đề mô tả hiện tượng quan sát được thì hãy đọc ngược về bán phản ứng.

Đọc kỹ pin đang tự diễn biến hay đang bị điện phân trước khi kết luận dấu.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 1: So sánh hai thế khử chuẩn để biết cặp nào giành electron mạnh hơn. Vì

+1.50\ \mathrm{V} > -0.14\ \mathrm{V}

, cặp

\mathrm{Au^{3+}/Au}

có xu hướng bị khử mạnh hơn hẳn, nên quá trình khử sẽ xảy ra trên thanh vàng. Do đó điện cực Au là catot, còn thanh Sn buộc phải nhận vai trò còn lại là anot, nơi xảy ra sự oxi hóa. Đây là quy tắc chung: trong pin điện hóa (galvanic cell), nửa pin có

E^\circ_\mathrm{red}

lớn hơn luôn là catot.

2Bước 2: Viết hai nửa phản ứng theo đúng vai trò vừa xác định. Ở catot:

\text{Au}^{3+} + 3e^- \rightarrow \text{Au}

; ở anot:

\text{Sn} \rightarrow \text{Sn}^{2+} + 2e^-

. Số electron trao đổi chưa khớp, nên nhân nửa phản ứng khử với 2 và nửa phản ứng oxi hóa với 3 để cả hai cùng có

6e^-

, rồi cộng lại:

2\text{Au}^{3+} + 3\text{Sn} \rightarrow 2\text{Au} + 3\text{Sn}^{2+}

Phương trình này cho thấy vàng kim loại bám thêm vào catot trong khi thanh thiếc ở anot mòn dần.

3Bước 3: Áp dụng công thức

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

, trong đó cả hai giá trị đều lấy theo dạng thế khử chuẩn:

E^\circ_\text{cell} = (+1.50) - (-0.14) = +1.64\ \mathrm{V}

Kết quả dương nên phản ứng tự diễn biến theo chiều đã viết. Lưu ý một lỗi rất hay gặp: tuyệt đối không nhân

E^\circ

với hệ số 2 hay 3 khi cân bằng electron, vì thế điện cực là đại lượng cường độ, không phụ thuộc lượng chất.

4Bước 4: Xét sự tích điện ở mỗi ngăn để suy ra hướng đi của ion. Ở anot, thiếc tan ra sinh thêm

\text{Sn}^{2+}

nên dung dịch dư điện tích dương; ngược lại ở catot,

\text{Au}^{3+}

bị tiêu thụ nên dung dịch dư điện tích âm. Vì vậy anion

\text{NO}_3^-

phải di chuyển từ cầu muối về nửa pin thiếc (anot) để trung hòa điện tích dương dư, còn cation

\text{K}^+

đi về phía catot. Cách nhớ gọn: anion luôn đi về anot, cation luôn đi về catot.

Thanh Au là catot với nửa phản ứng $\text{Au}^{3+} + 3e^- \rightarrow \text{Au}$ , thanh Sn là anot với $\text{Sn} \rightarrow \text{Sn}^{2+} + 2e^-$ , phương trình tổng là $2\text{Au}^{3+} + 3\text{Sn} \rightarrow 2\text{Au} + 3\text{Sn}^{2+}$ . Pin có $E^\circ_\text{cell} = +1.64\ \mathrm{V}$ , giá trị dương nên phản ứng tự diễn biến và pin sinh dòng. Trong khi đó ion $\text{NO}_3^-$ chạy về ngăn chứa $\text{Sn}^{2+}$ , tức về phía anot, để cân bằng lượng điện tích dương sinh ra ở đó.

2Ví dụ 2/2

Điện phân

\text{MgCl}_2

nóng chảy bằng dòng điện không đổi

2.00\ \mathrm{A}

trong đúng

1.00

giờ. Cho hằng số Faraday (Faraday constant)

F = 96485\ \mathrm{C/mol\ e^-}

và

M(\text{Mg}) = 24.31\ \mathrm{g/mol}

aViết nửa phản ứng xảy ra ở catot và cho biết catot được nối với cực nào của nguồn điện một chiều.
bTính khối lượng magie thu được ở catot.

1Bước 1: Xác định vai trò của catot trong bình điện phân (electrolytic cell). Dù nguồn điện bên ngoài ép phản ứng chạy ngược chiều tự nhiên, định nghĩa của catot vẫn không đổi: đó là nơi xảy ra sự khử. Trong

\text{MgCl}_2

nóng chảy chỉ có

\text{Mg}^{2+}

và

\text{Cl}^-

, nên tiểu phân bị khử phải là

\text{Mg}^{2+}

\text{Mg}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Mg}

Tuy nhiên, khác với pin điện hóa, ở đây catot được nối với cực âm của nguồn vì nó cần được bơm electron vào; đó là điểm dễ nhầm nhất khi chuyển từ pin sang bình điện phân.

2Bước 2: Đổi thời gian sang giây rồi tính điện lượng theo

Q = It

. Vì

1.00

giờ

= 3600\ \mathrm{s}

nên

Q = (2.00)(3600) = 7200\ \mathrm{C}

Con số này cho biết tổng điện tích đã đi qua bình trong suốt quá trình điện phân.

3Bước 3: Chia điện lượng cho hằng số Faraday để biết số mol electron đã tham gia:

n_{e^-} = \frac{7200}{96485} = 0.0746\ \mathrm{mol}

Theo nửa phản ứng ở Bước 1, mỗi ion

\text{Mg}^{2+}

cần

2e^-

, do đó

n_{\text{Mg}} = 0.0746/2 = 0.0373\ \mathrm{mol}

4Bước 4: Nhân số mol với khối lượng mol để ra khối lượng kim loại bám trên catot:

m = (0.0373)(24.31) = 0.907\ \mathrm{g}

Kết quả cỡ chưa tới một gam là hợp lý, vì dòng

2.00\ \mathrm{A}

trong một giờ chỉ chuyển được khoảng

0.075

mol electron.

Ở catot xảy ra sự khử $\text{Mg}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Mg}$ , và trong bình điện phân điện cực này được nối với cực âm của nguồn một chiều. Sau $1.00$ giờ điện phân với dòng $2.00\ \mathrm{A}$ , khối lượng magie kim loại bám vào catot là khoảng $0.907\ \mathrm{g}$ .

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