Đang tải bài học…

AP Chemistry

pin galvani

galvanic cell

Còn gọi: pin volta · voltaic cell · pin điện hóa galvani

Pin galvani là thiết bị biến đổi năng lượng hóa học thành điện năng thông qua phản ứng oxi hóa–khử tự diễn biến.

Pin galvani (galvanic cell) là thiết bị dùng để chuyển hóa năng lượng của một phản ứng oxi hóa–khử (redox reaction) tự diễn biến thành dòng điện một chiều. Cấu tạo cơ bản của pin gồm hai nửa pin, mỗi nửa chứa một thanh kim loại nhúng trong dung dịch muối của chính kim loại đó. Thanh kim loại nơi xảy ra quá trình oxi hóa được gọi là anot (cực âm), còn thanh nơi xảy ra quá trình khử được gọi là catot (cực dương). Hai nửa pin này hoạt động như hai trạm nhận và nhả êlectron, tạo nên một vòng tuần hoàn khép kín.

Khi nối hai điện cực bằng một dây dẫn ngoài, êlectron sẽ di chuyển từ anot sang catot và tạo ra dòng điện mà ta có thể sử dụng để thắp sáng bóng đèn hay quay động cơ nhỏ. Tuy nhiên, nếu chỉ có dây dẫn ngoài thì phản ứng sẽ nhanh chóng dừng lại, vì điện tích dương dồn về nửa pin anot còn điện tích âm dồn về nửa pin catot, phá vỡ sự cân bằng điện tích. Do đó, người ta đặt một cầu muối — thường là ống chứa dung dịch điện li trơ như $\text{KNO}_3$ — nối hai nửa pin để các ion di chuyển qua lại, duy trì sự trung hòa điện tích và cho phép dòng điện chạy liên tục.

Vì phản ứng trong pin galvani tự diễn biến theo chiều thuận, biến thiên năng lượng tự do Gibbs (Gibbs free energy change) phải âm ( $\Delta G < 0$ ), và hệ thức $\Delta G = -nFE_{\text{cell}}$ cho thấy thế pin luôn mang giá trị dương. Nhờ đó, ta có thể dự đoán pin có hoạt động được hay không chỉ bằng cách so sánh thế khử chuẩn của hai nửa phản ứng. Ngược lại, nếu $E_{\text{cell}}$ âm thì phản ứng không tự diễn biến theo chiều thuận, và ta phải cung cấp điện năng từ bên ngoài — đó chính là nguyên tắc của bình điện phân (electrolytic cell).

Ký hiệu

• $E_{\text{cell}}$ — thế pin
• $\Delta G$ — biến thiên năng lượng tự do Gibbs
• $n$ — số mol electron trao đổi
• $F$ — hằng số Faraday ( $96\,485$ C/mol)

Đơn vịV (vôn) cho thế pin; J (jun) cho năng lượng tự do

Trực giác: Hãy tưởng tượng hai bể nước ở độ cao khác nhau nối bằng một ống dẫn: nước tự chảy từ cao xuống thấp và dòng chảy đó quay được một cối xay — pin galvani hoạt động y như vậy, chỉ khác là thứ "chảy xuống" là electron thay vì nước.

Công thức

E = \htmlClass{fp-0}{E^{\circ}} - \htmlClass{fp-3}{\htmlClass{fp-1}{\frac{RT}{nF}}\htmlClass{fp-2}{\ln Q}}

Dùng khi pin hoạt động ở điều kiện không chuẩn — nồng độ các chất khác 1 M hoặc nhiệt độ khác 25 °C

Trong đó

E

Thế điện cực ở điều kiện thực tế — V

E^{\circ}

Thế điện cực chuẩn — V

R

Hằng số khí lý tưởng — J/(mol·K)

T

Nhiệt độ tuyệt đối — K

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1780Luigi GalvaniAlessandro VoltaMichael Faraday

Pin galvani mang tên Luigi Galvani (1737–1798), nhà giải phẫu người Ý phát hiện năm 1780 rằng hai kim loại khác nhau chạm vào chân ếch làm cơ co giật, và Alessandro Volta (1745–1827), người chứng minh nguồn điện nằm ở hai kim loại chứ không ở con vật. Từ đó ra đời thiết bị biến phản ứng hóa học thành dòng điện.

Hay hiểu sai

Không nhân thế điện cực với hệ số cân bằng.

Electron không bao giờ chạy qua cầu muối.

Trong pin galvani, anot là cực âm, không phải cực dương.

Pin "hết điện" là khi phản ứng đạt cân bằng, không phải khi cạn chất.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/1

Một pin điện hóa chuẩn được lắp từ hai nửa pin: một thanh Mn(s) nhúng trong dung dịch Mn(NO₃)₂ 1,00 M và một thanh Ag(s) nhúng trong dung dịch AgNO₃ 1,00 M, nối với nhau bằng cầu muối (salt bridge) chứa KNO₃(aq) và một dây dẫn ngoài. Bảng thế khử chuẩn (standard reduction potential) cho biết:

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

E^{\circ} = 0{,}80\ \mathrm{V}

;

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

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

;

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

E^{\circ} = -0{,}25\ \mathrm{V}

. Cho

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

và

M(\mathrm{Mn}) = 54{,}94\ \mathrm{g/mol}

aViết hai bán phản ứng và phương trình tổng, chỉ rõ điện cực nào là nơi xảy ra oxi hóa, rồi tính thế chuẩn của pin $E^{\circ}_{cell}$ .
bPin hoạt động 400,0 giây với cường độ dòng trung bình 0,100 C/s. Tính độ biến thiên khối lượng, tính bằng gam, của điện cực Mn(s).
c

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 ứng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

bình điện phân (electrolytic cell)electrolytic cell

Khác nhau ở đâuPin galvani chuyển hóa năng thành điện năng nhờ phản ứng tự diễn ra. Bình điện phân dùng điện năng để thúc đẩy phản ứng không tự diễn ra.

Hay nhầm khiKhi đề cho sơ đồ hai điện cực và hỏi chiều dòng điện hoặc dấu của thế điện cực, học sinh hay nhầm lẫn giữa hai loại tế bào điện hóa.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 1004, 1007, 1600.

Số mol electron trao đổi trong phản ứng oxi hóa – khử

F

Hằng số Faraday — C/mol

Q

Thương số phản ứng

E^{\circ}_{cell} = \htmlClass{fp-0}{E^{\circ}_{cathode}} - \htmlClass{fp-1}{E^{\circ}_{anode}}

Dùng để tính thế pin chuẩn từ bảng thế điện cực chuẩn, khi pin hoạt động ở điều kiện chuẩn (nồng độ 1 M, 25 °C, 1 atm)

Trong đó

E^{\circ}_{cell}

Thế pin chuẩn — V

E^{\circ}_{cathode}

Thế khử chuẩn của bán phản ứng tại catot — V

E^{\circ}_{anode}

Thế khử chuẩn của bán phản ứng tại anot — V

\Delta G = -nFE

Dùng để xác định tính tự phát của phản ứng trong pin: khi $E > 0$ thì $\Delta G < 0$ , phản ứng xảy ra tự phát

Trong đó

\Delta G

Biến thiên năng lượng tự do Gibbs — J

n

Số mol electron trao đổi

F

Hằng số Faraday — C/mol

E

Thế điện cực — V

Câu chuyện bắt đầu ở Đại học Bologna, khi Galvani đang mổ một con ếch thì dụng cụ kim loại chạm vào dây thần kinh lộ ra ở chân và cơ chân giật lên. Năm 1780 ông nhận thấy hiện tượng chỉ xảy ra khi hai kim loại khác nhau, chẳng hạn đồng và kẽm, cùng tiếp xúc với hai phần khác nhau của cơ, và ông gọi đó là "điện động vật" (animal electricity). Một năm sau khi công trình của Galvani được công bố, Volta chỉ ra rằng con ếch hoàn toàn không cần thiết: thay chân ếch bằng giấy tẩm nước muối, dòng điện vẫn xuất hiện. Năm 1799 ông xếp chồng các lớp kẽm và đồng xen giấy tẩm nước muối để tạo pin Volta (voltaic pile), thiết bị cho dòng điện ổn định đầu tiên và là khởi đầu của công nghệ pin.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi lưu lại một hiểu lầm khoa học nổi tiếng. Galvani tin rằng nguồn điện nằm trong mô của con vật, nên hiện tượng được đặt theo tên ông; nhưng chính Volta mới cho thấy điện sinh ra từ dòng electron giữa hai kim loại, còn dịch trong cơ thể ếch chỉ đóng vai trò môi trường dẫn. Vì vậy đến nay thiết bị có hai tên song song: pin galvani theo người phát hiện hiện tượng, và pin Volta theo người giải thích đúng cơ chế. Đơn vị volt cũng được đặt theo tên Volta. Tuy nhiên, cả hai đều chưa chạm tới bản chất thật sự. Khoảng bốn mươi năm sau, Faraday chứng minh nguồn suất điện động nằm ở các phản ứng hóa học tại mặt tiếp xúc giữa điện cực (electrode) và chất điện li (electrolyte). Chính ông đưa vào hóa học bộ thuật ngữ mà đề thi ngày nay vẫn dùng: cực dương và cực âm, chất điện li, ion cùng cation và anion. Do đó, khi bạn gọi tên một điện cực trong bài tập điện hóa, bạn đang dùng từ vựng của Faraday để mô tả thiết bị mang tên Galvani.

Mẹo phòng thi

Bài tính khối lượng điện cực phải viết đủ ba bước chuyển đổi.

Khi giải thích cầu muối, phải gọi tên ion cụ thể và nói rõ chiều.

Luôn kiểm tra dấu của $E^{\circ}_{cell}$ trước khi nộp.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Mô tả chiều di chuyển của ion K⁺ và NO₃⁻ trong cầu muối khi pin hoạt động, kèm lý do.

dLắp một pin chuẩn thứ hai gồm điện cực Mn(s) và điện cực Ni(s). Pin nào có thế chuẩn lớn hơn? Giải thích.

1Bước 1: Nửa phản ứng nào có thế khử dương hơn sẽ thực sự xảy ra theo chiều khử. Vì

0{,}80\ \mathrm{V} > -1{,}18\ \mathrm{V}

, ion

\mathrm{Ag}^{+}

bị khử tại điện cực bạc, còn Mn bị oxi hóa nên thanh Mn là nơi xảy ra oxi hóa (anode) và thanh Ag là nơi xảy ra khử (cathode):

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

và

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

, tổng lại là

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

2Bước 2:

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

. Lưu ý không nhân đôi giá trị

0{,}80\ \mathrm{V}

khi cân bằng electron, vì thế điện cực là đại lượng cường độ, không phụ thuộc hệ số. Kết quả dương xác nhận phản ứng tự diễn biến, đúng bản chất của loại pin này.

3Bước 3: Điện lượng đi qua mạch là

q = I t = (0{,}100\ \mathrm{C/s})(400{,}0\ \mathrm{s}) = 40{,}0\ \mathrm{C}

. Chia cho hằng số Faraday để đổi sang số mol electron:

n_{e^{-}} = \dfrac{40{,}0}{96485} = 4{,}145\times10^{-4}\ \mathrm{mol}

4Bước 4: Mỗi nguyên tử Mn nhường 2 electron nên

n_{\mathrm{Mn}} = \dfrac{4{,}145\times10^{-4}}{2} = 2{,}073\times10^{-4}\ \mathrm{mol}

, ứng với

m = (2{,}073\times10^{-4})(54{,}94) = 0{,}0114\ \mathrm{g}

. Vì Mn tan ra thành

\mathrm{Mn}^{2+}

, khối lượng điện cực giảm:

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

5Bước 5: Ở ngăn Mn, ion

\mathrm{Mn}^{2+}

sinh thêm làm dư điện tích dương, nên

\mathrm{NO_3^{-}}

từ cầu muối di chuyển sang ngăn này. Ngược lại, ngăn Ag mất dần

\mathrm{Ag}^{+}

nên dư điện tích âm, do đó

\mathrm{K}^{+}

di chuyển sang ngăn Ag. Nhờ dòng ion ngược chiều nhau này mà hai dung dịch luôn trung hòa điện và dòng electron mới duy trì được.

6Bước 6: Với pin Mn–Ni, ion

\mathrm{Ni}^{2+}

bị khử vì

-0{,}25\ \mathrm{V} > -1{,}18\ \mathrm{V}

, nên

E^{\circ}_{cell} = -0{,}25 - (-1{,}18) = +0{,}93\ \mathrm{V}

. Giá trị này nhỏ hơn

1{,}98\ \mathrm{V}

vì

\mathrm{Ni}^{2+}

là chất oxi hóa yếu hơn

\mathrm{Ag}^{+}

, tức khoảng cách thế giữa hai bán phản ứng hẹp hơn.

Pin Mn–Ag có $E^{\circ}_{cell} = +1{,}98\ \mathrm{V}$ , trong đó thanh Mn là điện cực xảy ra oxi hóa và tan dần, còn ion $\mathrm{Ag}^{+}$ bị khử bám lên thanh bạc. Sau 400,0 giây ở dòng 0,100 C/s, thanh Mn mất $0{,}0114\ \mathrm{g}$ , nghĩa là $\Delta m = -0{,}0114\ \mathrm{g}$ . Trong khi đó, $\mathrm{NO_3^{-}}$ chạy về ngăn Mn và $\mathrm{K}^{+}$ chạy về ngăn Ag để giữ cân bằng điện tích. Khi thay bạc bằng nickel, thế chuẩn chỉ còn $+0{,}93\ \mathrm{V}$ , thấp hơn hẳn, vì cặp $\mathrm{Ni}^{2+}/\mathrm{Ni}$ có thế khử âm hơn nhiều so với cặp $\mathrm{Ag}^{+}/\mathrm{Ag}$ .

phương trình Nernst (sắp có)

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