Đang tải bài học…

AP Chemistry

điện cực

electrode

Điện cực là vật dẫn điện tiếp xúc với môi trường điện ly để nhường hoặc nhận electron trong các quá trình điện hóa.

Điện cực là vật dẫn điện, thường làm bằng kim loại hoặc than chì, được nhúng vào dung dịch chất điện ly để tạo điều kiện cho sự trao đổi điện tử giữa mạch ngoài và môi trường phản ứng. Do đó, tại bề mặt tiếp xúc giữa vật rắn và dung dịch, một cân bằng điện hóa được thiết lập, cho phép dòng điện một chiều được sinh ra hoặc tiêu thụ tùy thuộc vào tính chất của hệ thống. Nhờ sự hiện diện của vật dẫn này, các phản ứng oxi hóa–khử (redox reaction) mới có thể tách biệt thành hai nửa phản ứng (half-reaction) ở hai không gian khác nhau nhưng vẫn liên thông về mặt năng lượng.

Hơn nữa, dù hoạt động trong pin galvani (galvanic cell) hay bình điện phân (electrolytic cell), mỗi điện cực được phân loại dựa trên bản chất phản ứng xảy ra tại bề mặt của nó. Nơi xảy ra quá trình oxi hóa luôn được gọi là anot, nơi các điện tử nhường để đi vào mạch ngoài; ngược lại, nơi xảy ra quá trình khử được gọi là catot, nơi nhận điện tử từ dây dẫn để chuyển cho các ion trong dung dịch. Vì vậy, quy ước này thống nhất về bản chất hóa học bất chấp sự đảo chiều của cực tính khi chuyển từ chế độ phát điện sang chế độ nạp điện.

Ngoài ra, vật liệu cấu tạo nên điện cực còn quyết định độ bền và phạm vi ứng dụng của thiết bị. Các kim loại quý như bạch kim (Pt) hay than chì đóng vai trò là điện cực trơ, chỉ làm bề mặt xúc tác cho phản ứng của các chất khác mà không bị biến đổi; trong khi đó, các thanh kim loại như kẽm hay đồng vừa làm vật dẫn, vừa tham gia trực tiếp vào phản ứng tan hoặc bám dính. Chính vì thế, sự lựa chọn này ảnh hưởng trực tiếp đến thế điện cực chuẩn và khả năng duy trì dòng điện ổn định theo thời gian.

Trực giác: Hãy tưởng tượng điện cực như một trạm trung chuyển, nơi hành khách là các electron phải bước lên bến đỗ kim loại để đi từ tuyến đường hóa học sang tuyến đường dây dẫn.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1833–1834Michael Faraday

Từ "electrode" do nhà vật lý và hóa học người Anh Michael Faraday đặt ra vào khoảng năm 1833–1834, khi ông cần tên gọi cho hai đầu mà dòng điện đi vào và đi ra khỏi dung dịch trong các thí nghiệm điện phân.

Vào đầu thập niên 1830, Faraday nghiên cứu hiện tượng dòng điện làm phân hủy các chất tan trong dung dịch, nhưng ngôn ngữ khoa học đương thời chưa có bộ từ vựng riêng cho việc đó. Cùng vài người bạn, ông dựng nên cả một hệ thuật ngữ điện hóa (electrochemical nomenclature) vào năm 1833; bằng chứng sớm nhất của chữ "electrode" nằm ngay trong một trang nhật ký của chính Faraday năm ấy, trước khi từ này đi vào tài liệu in năm 1834. Nhờ bộ tên gọi mới đó, người ta lần đầu có cách nói gọn về hai đầu của một mạch điện hở nhúng trong chất điện phân, thay vì phải mô tả vòng vo. Cách gọi này tồn tại đến tận hôm nay.

Hay hiểu sai

Cực dương (anode) không phải lúc nào cũng mang dấu âm.

Điện cực có thế khử chuẩn nhỏ hơn là nơi xảy ra oxi hóa, không phải nơi xảy ra khử.

Đảo chiều nửa phản ứng thì đổi dấu $E^\circ$ , nhưng nhân hệ số thì tuyệt đối không nhân $E^\circ$ .

Điện cực trơ như Pt không tan ra và khối lượng của nó không đổi.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một pin điện hoá chuẩn được lắp từ hai nửa pin: một thanh

\text{Mn}(s)

nhúng trong dung dịch

\text{Mn}^{2+}(aq)

1,00 M và một thanh

\text{Ag}(s)

nhúng trong dung dịch

\text{Ag}^{+}(aq)

1,00 M, hai cốc nối với nhau bằng cầu muối (salt bridge). Các thế khử chuẩn ở

25\ ^\circ\text{C}

được cho như sau:

\text{Ag}^{+}(aq)+e^{-}\rightarrow\text{Ag}(s)

E^\circ=+0{,}80\ \text{V}

;

\text{Mn}^{2+}(aq)+2e^{-}\rightarrow\text{Mn}(s)

E^\circ=-1{,}18\ \text{V}

. Pin hoạt động trong 400,0 s với cường độ dòng trung bình 0,100 C/s.

aCho biết điện cực nào là nơi xảy ra oxi hoá, điện cực nào là nơi xảy ra khử, và tính $E^\circ$ của pin. Trình bày lập luận.
bTính độ biến thiên khối lượng (gam) của điện cực $\text{Mn}(s)$ sau 400,0 s, ghi rõ khối lượng tăng hay giảm.
cTính độ biến thiên khối lượng của điện cực $\text{Ag}(s)$ trong cùng khoảng thời gian đó.

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 trướcnửa phản ứngchất điện li

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 94, 178, 337.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi ghép từ tiền tố "electro-" (thuộc về điện) với chữ Hy Lạp "hodos" nghĩa là "đường đi, lối đi". Cách hiểu ấy rất sát với hình dung của Faraday: điện cực không phải là nơi dòng điện dừng lại, mà là cái cửa, là lối để dòng điện đi vào hoặc rời khỏi dung dịch. Vì vậy, khi gặp các từ cùng họ trong đề thi — cực dương (anode), cực âm (cathode), hay chất điện phân (electrolyte) — có thể nhận ra chúng đều sinh ra trong cùng một đợt đặt tên, và đều được xây trên gốc Hy Lạp theo cùng một logic "đường đi của điện".

Mẹo phòng thi

Trước khi tính bất cứ thứ gì, viết ra hai nửa phản ứng kèm nhãn anode và cathode.

Tính khối lượng điện cực phải đi trọn chuỗi: điện lượng, mol electron, mol kim loại rồi ra gam.

Nhớ rằng electron chỉ chạy trong dây dẫn, còn ion chạy trong dung dịch và cầu muối (salt bridge).

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

1Bước 1: So sánh hai thế khử chuẩn để xác định vai trò của từng thanh kim loại. Cặp

\text{Ag}^{+}/\text{Ag}

có

E^\circ

lớn hơn nên

\text{Ag}^{+}

dễ bị khử hơn; do đó thanh bạc là điện cực xảy ra khử (cathode), còn thanh mangan bị oxi hoá và là điện cực xảy ra oxi hoá (anode). Electron chạy trong dây dẫn ngoài từ thanh

\text{Mn}

sang thanh

\text{Ag}

2Bước 2: Tính thế chuẩn của pin theo hiệu hai thế khử:

E^\circ_{cell}=E^\circ_{cathode}-E^\circ_{anode}=0{,}80-(-1{,}18)=+1{,}98\ \text{V}

. Giá trị dương xác nhận phản ứng

\text{Mn}(s)+2\text{Ag}^{+}(aq)\rightarrow\text{Mn}^{2+}(aq)+2\text{Ag}(s)

tự diễn biến, đúng như một pin galvanic phải có.

3Bước 3: Đổi thời gian và dòng điện thành điện lượng rồi thành số mol electron:

q=It=(0{,}100)(400{,}0)=40{,}0\ \text{C}

, và

n_{e^{-}}=q/F=40{,}0/96485=4{,}15\times10^{-4}\ \text{mol}

, với

F

là hằng số Faraday (Faraday constant). Đây là lượng electron đi qua mạch ngoài, dùng chung cho cả hai điện cực.

4Bước 4: Ở anode, mỗi nguyên tử

\text{Mn}

nhường 2 electron nên

n_{\text{Mn}}=4{,}15\times10^{-4}/2=2{,}07\times10^{-4}\ \text{mol}

. Khối lượng tương ứng là

m=(2{,}07\times10^{-4})(54{,}94)=1{,}14\times10^{-2}\ \text{g}

. Vì mangan tan vào dung dịch dưới dạng

\text{Mn}^{2+}

, khối lượng thanh giảm:

\Delta m=-0{,}0114\ \text{g}

5Bước 5: Ở cathode, mỗi ion

\text{Ag}^{+}

chỉ nhận 1 electron nên

n_{\text{Ag}}=4{,}15\times10^{-4}\ \text{mol}

, ứng với

m=(4{,}15\times10^{-4})(107{,}87)=4{,}47\times10^{-2}\ \text{g}

. Bạc kim loại bám lên thanh nên khối lượng tăng:

\Delta m=+0{,}0447\ \text{g}

Thanh $\text{Mn}$ là điện cực oxi hoá, thanh $\text{Ag}$ là điện cực khử, và pin có $E^\circ=+1{,}98\ \text{V}$ . Sau 400,0 s ở dòng 0,100 C/s, điện cực mangan mất $0{,}0114\ \text{g}$ còn điện cực bạc nặng thêm $0{,}0447\ \text{g}$ ; hai giá trị khác nhau vì cùng một lượng electron nhưng mangan cần hai electron cho mỗi nguyên tử còn bạc chỉ cần một, chưa kể khối lượng mol của bạc lớn gần gấp đôi.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh khảo sát phản ứng

3\text{Cu}^{+}(aq)+\text{Au}^{3+}(aq)\rightarrow 3\text{Cu}^{2+}(aq)+\text{Au}(s)

bằng cách lắp pin điện hoá gồm: cốc thứ nhất chứa thanh

\text{Au}(s)

nhúng trong

\text{Au}(\text{NO}_3)_3(aq)

1,00 M; cốc thứ hai chứa thanh

\text{Pt}(s)

nhúng trong dung dịch có

\text{CuNO}_3(aq)

1,00 M và

\text{Cu}(\text{NO}_3)_2(aq)

1,00 M. Cho

E^\circ

của

\text{Au}^{3+}(aq)+3e^{-}\rightarrow\text{Au}(s)

là

+1{,}50\ \text{V}

và của

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

là

+0{,}15\ \text{V}

aGiải thích vì sao nửa pin thứ hai phải dùng thanh $\text{Pt}(s)$ chứ không dùng thanh đồng, và khối lượng thanh $\text{Pt}$ có thay đổi khi pin hoạt động hay không.
bViết hai nửa phản ứng ở mỗi điện cực và tính $E^\circ$ của pin.
cCho biết khối lượng thanh $\text{Au}(s)$ thay đổi thế nào và các anion trong cầu muối di chuyển về cốc nào.

1Bước 1: Xét kỹ nửa pin thứ hai: cặp oxi hoá – khử ở đây là

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

, cả hai đều là ion tan trong dung dịch, không có dạng rắn nào để làm thanh dẫn. Vì mọi điện cực đều phải là vật dẫn để electron đi vào mạch ngoài, ta cần một điện cực trơ (inert electrode) như platin. Nếu dùng thanh đồng thì

\text{Cu}(s)

sẽ tham gia phản ứng và làm sai cặp cần khảo sát.

2Bước 2: Platin chỉ đóng vai trò bề mặt trao đổi electron chứ không bị oxi hoá cũng không nhận kim loại bám vào, nên khối lượng thanh

\text{Pt}

giữ nguyên trong suốt quá trình. Toàn bộ biến đổi hoá học ở cốc này diễn ra trong dung dịch, khi

\text{Cu}^{+}

nhường electron cho bề mặt platin.

3Bước 3: Từ phương trình tổng đã cho,

\text{Cu}^{+}

bị oxi hoá còn

\text{Au}^{3+}

bị khử. Vậy tại thanh platin:

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

(oxi hoá, anode); tại thanh vàng:

\text{Au}^{3+}(aq)+3e^{-}\rightarrow\text{Au}(s)

(khử, cathode). Nhân nửa phản ứng thứ nhất với 3 rồi cộng lại sẽ ra đúng phương trình đề bài.

4Bước 4: Tính thế chuẩn của pin:

E^\circ_{cell}=1{,}50-0{,}15=+1{,}35\ \text{V}

. Lưu ý không nhân

E^\circ

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

5Bước 5: Ở cathode, vàng kim loại sinh ra bám lên thanh nên khối lượng điện cực

\text{Au}(s)

tăng. Đồng thời cốc chứa platin liên tục sinh thêm điện tích dương do

\text{Cu}^{+}

chuyển thành

\text{Cu}^{2+}

, nên anion

\text{NO}_3^{-}

từ cầu muối phải di chuyển về phía cốc này để trung hoà điện tích; cation thì đi về cốc chứa vàng.

Nửa pin $\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}^{+}$ buộc phải dùng thanh platin trơ vì không có chất rắn dẫn điện nào trong cặp, và khối lượng thanh này không đổi. Pin có $E^\circ=+1{,}35\ \text{V}$ với platin là điện cực oxi hoá và vàng là điện cực khử; khi pin chạy, thanh vàng nặng dần lên còn anion trong cầu muối chảy về cốc chứa platin.

Liên quancầu muối (sắp có)

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