Đang tải bài học…

AP Chemistry

tế bào điện hóa

electrochemical cell

Còn gọi: pin điện hóa

Tế bào điện hóa là thiết bị tách phản ứng oxi hóa–khử thành hai nửa ở hai điện cực, buộc electron chạy qua mạch ngoài.

Trong một phản ứng oxi hóa–khử thông thường, chất khử và chất oxi hóa tiếp xúc trực tiếp nên êlectron di chuyển ngay tại chỗ va chạm và toàn bộ năng lượng thoát ra dưới dạng nhiệt. Tế bào điện hóa thay đổi cách bố trí đó: hai nửa phản ứng bị đặt ở hai ngăn riêng, nối với nhau bằng một dây dẫn bên ngoài và một cầu muối (salt bridge). Bởi vì bị ngăn cách, êlectron không còn đường nào khác ngoài việc đi vòng qua mạch ngoài, và chính dòng êlectron đó là thứ ta đo được hoặc dùng được.

Điện cực nơi xảy ra sự oxi hóa gọi là anot, điện cực nơi xảy ra sự khử gọi là catot; êlectron luôn rời anot và chạy tới catot. Tuy nhiên, nếu chỉ có dòng êlectron thì hai ngăn sẽ tích điện trái dấu và dòng tắt gần như tức thì, vì vậy cầu muối phải cung cấp ion để trung hòa điện tích ở cả hai bên. Sức điện động chuẩn của pin được tính từ thế khử chuẩn của hai nửa:

$E^\circ_{cell} = E^\circ_{red,\,catot} - E^\circ_{red,\,anot}$

Công thức này nói rằng hiệu thế của pin chỉ phụ thuộc bản chất hai cặp oxi hóa–khử, không phụ thuộc việc ta nhân hệ số cho nửa phản ứng.

Dấu của $E^\circ_{cell}$ chia tế bào điện hóa thành hai loại. Khi $E^\circ_{cell} > 0$ , phản ứng tự diễn biến và tế bào tự sinh dòng, đó là pin Galvani — chính là pin trong đèn pin. Ngược lại, khi $E^\circ_{cell} < 0$ , ta phải dùng nguồn điện ngoài ép phản ứng chạy ngược, và thiết bị trở thành bình điện phân (electrolytic cell) dùng để mạ kim loại hay tách nhôm. Hơn nữa, mối liên hệ với nhiệt động học được gói trong $\Delta G = -nFE$ , với $n$ là số mol êlectron trao đổi và $F$ là hằng số Faraday (Faraday's constant); nhờ đó thế pin dương luôn tương ứng với biến thiên năng lượng tự do âm.

Ký hiệu

E^\circ_{cell}

E^\circ_{red}

\Delta G = -nFE

F \approx 96485\ \mathrm{C/mol}

Đơn vịThế pin đo bằng vôn (V); điện lượng đo bằng culông (C)

Trực giác: Giống như bắt nước không chảy thẳng xuống dốc mà phải đi vòng qua cánh quạt tuabin, ta vẫn được đúng phản ứng đó nhưng lấy ra được công thay vì chỉ có nhiệt.

Công thức

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

Dùng để tính suất điện động chuẩn của tế bào điện hóa khi biết thế khử chuẩn của hai điện cực; nếu $E°_{cell} > 0$ thì phản ứng tự phát theo chiều thuận

Trong đó

E°_{cell}

suất điện động chuẩn của tế bào điện hóa — V

E°_{cathode}

thế khử chuẩn của bán phản ứng tại catot — V

E°_{anode}

thế khử chuẩn của bán phản ứng tại anot — V

\Delta G = \htmlClass{fp-1}{-\htmlClass{fp-0}{nF}E}

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1799Alessandro VoltaLuigi GalvaniMichael Faraday

Tế bào điện hóa đầu tiên do Alessandro Volta, nhà khoa học người Ý, công bố năm 1799, dựa trên các thí nghiệm trước đó của Luigi Galvani ở Bologna; đến năm 1833 Michael Faraday cùng vài người bạn mới đặt ra hệ thuật ngữ điện hóa mà hôm nay ta vẫn dùng.

Câu chuyện bắt đầu tại Đại học Bologna, khi nhà giải phẫu so sánh Luigi Galvani đang mổ một con ếch thì dụng cụ kim loại chạm vào dây thần kinh lộ ra ở chân ếch, và cái chân co giật. Hiện tượng ấy khiến người ta phải hỏi: dòng điện đến từ mô sống hay từ chính hai kim loại? Volta chọn vế thứ hai, và năm 1799 ông công bố thiết bị dùng đồng cùng một kim loại khác xếp chồng lên nhau — pin Volta, tế bào điện hóa đầu tiên. Nhờ đó lần đầu tiên con người có nguồn dòng điện ổn định thay vì các tia lửa tĩnh điện chớp tắt, và cả một ngành hóa học mới mở ra sau đó.

Hay hiểu sai

Không nhân thế khử chuẩn với hệ số cân bằng phản ứng.

Không phải tế bào điện hóa nào cũng tự xảy ra.

Nhiệt độ cao không làm phản ứng phân hủy trở nên thuận lợi.

Đảo chiều nửa phản ứng thì phải đổi dấu $E°$ , còn công thức trừ thì không.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh khảo sát phản ứng

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

và định dựng một tế bào điện hóa dựa trên phản ứng này. Bảng thế khử chuẩn (standard reduction potential) cho biết

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

có

E° = +0{,}80\ \text{V}

và

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

có

E° = +0{,}34\ \text{V}

. Điều kiện chuẩn,

T = 298\ \text{K}

, hằng số Faraday

F = 96485\ \text{C/mol}

aTính $E°_{cell}$ của phản ứng viết như trên và cho biết phản ứng có tự diễn biến hay không.
bTính $\Delta G°$ của phản ứng và giải thích dấu của nó ăn khớp thế nào với kết quả câu (a).
cHọc sinh muốn dựng một tế bào tự sinh dòng điện từ cặp bạc – đồng. Hãy viết phản ứng tổng cộng phù hợp, chỉ rõ điện cực nào là anode và cathode, và electron chạy theo chiều nào trong dây dẫn.

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 trướcphản ứng oxi hóa–khử nửa phản ứng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

pin galvani (galvanic cell)galvanic cell

Khác nhau ở đâuTế bào điện hóa là thuật ngữ chung bao gồm cả pin galvani và bình điện phân. Pin galvani là loại tế bào điện hóa trong đó phản ứng tự phát sinh ra dòng điện.

Hay nhầm khikhi đề bài viết 'electrochemical cell' mà không nói rõ loại nào

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 976, 994, 1003.

Dùng để liên hệ giữa suất điện động của tế bào điện hóa và biến thiên năng lượng tự do Gibbs; khi $\Delta G < 0$ thì phản ứng oxi hóa-khử tự phát và tế bào sinh công điện

Trong đó

\Delta G

biến thiên năng lượng tự do Gibbs của phản ứng — J

n

số mol electron trao đổi trong phản ứng oxi hóa-khử đã cân bằng

F

hằng số Faraday, điện tích của một mol electron — C/mol

E

suất điện động của tế bào điện hóa — V

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "tế bào" (cell) nghe lạ tai với một thiết bị hóa học, nhưng nó chỉ ngăn chứa nhỏ đựng dung dịch và các điện cực — một đơn vị hoàn chỉnh, và nhiều đơn vị như vậy xếp chồng lên nhau thì thành pin Volta. Phần "điện hóa" (electrochemical) thì gắn với năm 1833, khi Faraday cùng vài người bạn dựng nên toàn bộ hệ thuật ngữ của lĩnh vực này: chất điện li (electrolyte), ion (ion) và điện cực (electrode) đều được đặt tên theo gốc Hy Lạp, cố ý chọn những chữ mô tả đúng sự kiện quan sát được trong phòng thí nghiệm mà không ràng buộc vào bất kỳ lý thuyết nào. Đó là lựa chọn khôn ngoan đến bất ngờ, bởi lúc ấy cấu trúc nguyên tử vẫn hoàn toàn chưa được biết, vậy mà bộ từ vựng ấy vẫn nguyên vẹn trong hóa học hiện đại. Riêng tên gọi "tế bào Volta" (voltaic cell) là cách hậu thế vinh danh Volta, còn "tế bào Galvani" (galvanic cell) nhắc tới con ếch của Galvani — hai cái tên cho cùng một thứ, vì cuộc tranh luận năm xưa để lại dấu vết trên cả hai người.

Viết rõ giá trị $n$ trước khi thay vào $\Delta G°=-nFE°$ .

Câu kết luận phải nói đủ hai vế: không thuận lợi và cần điện năng ngoài.

Với sơ đồ hạt, hãy đếm hạt trước rồi mới kết luận về chiều phản ứng.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

1Bước 1: Xác định nửa phản ứng nào bị khử, nửa nào bị oxi hóa theo đúng chiều đề cho. Trong phương trình đã cho,

\text{Ag}(s)

mất electron thành

\text{Ag}^{+}

nên bạc bị oxi hóa, còn

\text{Cu}^{2+}

nhận electron thành

\text{Cu}(s)

nên đồng bị khử. Vì vậy cặp đồng đóng vai trò cathode và cặp bạc đóng vai trò anode trong cách viết này.

2Bước 2: Áp dụng

E°_{cell} = E°_{cathode} - E°_{anode}

, trong đó cả hai giá trị đều lấy nguyên từ bảng thế khử chuẩn:

E°_{cell} = (+0{,}34\ \text{V}) - (+0{,}80\ \text{V}) = -0{,}46\ \text{V}

Lưu ý hệ số

2

\text{Ag}

không nhân vào

E°

, vì thế điện cực là đại lượng cường độ, không phụ thuộc lượng chất. Giá trị âm cho biết phản ứng viết theo chiều đó không tự diễn biến ở điều kiện chuẩn.

3Bước 3: Đếm số mol electron trao đổi rồi thay vào

\Delta G° = -nFE°_{cell}

. Cân bằng electron cho

n = 2

(hai nguyên tử

\text{Ag}

nhường tổng cộng 2 electron, đúng bằng số electron

\text{Cu}^{2+}

nhận). Do đó

\Delta G° = -(2)(96485)(-0{,}46) = +8{,}9 \times 10^{4}\ \text{J} \approx +89\ \text{kJ/mol}

Dấu dương của

\Delta G°

và dấu âm của

E°_{cell}

nói cùng một điều: quá trình này không tự xảy ra, muốn ép nó chạy thì phải cấp điện từ bên ngoài trong một tế bào điện phân (electrolytic cell).

4Bước 4: Để có tế bào tự sinh dòng, ta đảo chiều phản ứng:

\text{Cu}(s) + 2\,\text{Ag}^{+}(aq) \rightarrow \text{Cu}^{2+}(aq) + 2\,\text{Ag}(s), \quad E°_{cell} = +0{,}80 - 0{,}34 = +0{,}46\ \text{V}

Bây giờ đồng bị oxi hóa nên thanh

\text{Cu}

là anode (cực âm của pin), còn ion

\text{Ag}^{+}

bị khử nên thanh

\text{Ag}

là cathode. Electron rời anode đồng, chạy qua dây dẫn ngoài đến cathode bạc; đồng thời cầu muối (salt bridge) đưa ion vào hai nửa tế bào để giữ trung hòa điện.

Viết theo chiều đề cho, tế bào có $E°_{cell} = -0{,}46\ \text{V}$ và $\Delta G° \approx +89\ \text{kJ/mol}$ , nghĩa là bạc kim loại không khử được ion $\text{Cu}^{2+}$ một cách tự phát. Muốn có một tế bào galvanic (galvanic cell) hoạt động được, phải đảo chiều: đồng làm anode bị hòa tan thành $\text{Cu}^{2+}$ , ion $\text{Ag}^{+}$ bị khử bám lên cathode bạc, hiệu điện thế chuẩn đo được là $+0{,}46\ \text{V}$ và electron chạy từ điện cực đồng sang điện cực bạc qua mạch ngoài.

2Ví dụ 2/2

Người ta điện phân

\text{NaCl}

nóng chảy trong một tế bào điện hóa để thu

\text{Na}(l)

và

\text{Cl}_2(g)

theo phản ứng

2\,\text{NaCl}(l) \rightarrow 2\,\text{Na}(l) + \text{Cl}_2(g)

. Nguồn ngoài cấp dòng không đổi

5{,}00\ \text{A}

trong

30{,}0

phút. Cho

F = 96485\ \text{C/mol}

M(\text{Na}) = 22{,}99\ \text{g/mol}

aPhản ứng phân hủy $\text{NaCl}$ có thuận lợi về mặt nhiệt động không? Vai trò của hiệu điện thế đặt vào là gì?
bViết hai nửa phản ứng và cho biết mỗi nửa xảy ra ở anode hay cathode.
cTính khối lượng $\text{Na}(l)$ thu được sau $30{,}0$ phút.

1Bước 1: Nhận diện loại tế bào trước khi tính bất cứ thứ gì. Vì phải "đặt vào một hiệu điện thế" mới có sản phẩm, đây là tế bào điện phân chứ không phải pin tự sinh dòng. Phản ứng phân hủy

\text{NaCl}

có

E°_{cell} < 0

nên

\Delta G° > 0

: nó không thuận lợi về nhiệt động, và nguồn điện ngoài chính là thứ bơm năng lượng để đẩy hệ đi ngược chiều tự phát.

2Bước 2: Tách hai nửa phản ứng theo ion nào nhường, ion nào nhận electron. Ion

\text{Na}^{+}

nhận electron nên bị khử:

\text{Na}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Na}(l)

, xảy ra ở cathode. Ion

\text{Cl}^{-}

nhường electron nên bị oxi hóa:

2\,\text{Cl}^{-} \rightarrow \text{Cl}_2(g) + 2e^{-}

, xảy ra ở anode. Quy tắc "khử ở cathode, oxi hóa ở anode" đúng cho cả hai loại tế bào; chỉ có dấu của điện cực là đổi, trong tế bào điện phân cathode mang dấu âm.

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

q = It = (5{,}00)(30{,}0 \times 60) = 9{,}00 \times 10^{3}\ \text{C}

n_{e^{-}} = \frac{q}{F} = \frac{9000}{96485} = 0{,}0933\ \text{mol}

Con số

0{,}0933

là số mol electron mà nguồn đã đẩy qua tế bào.

4Bước 4: Dùng tỉ lệ mol trong nửa phản ứng ở cathode để quy ra sản phẩm. Vì

\text{Na}^{+} + e^{-} \rightarrow \text{Na}

có tỉ lệ

1:1

nên

n(\text{Na}) = 0{,}0933\ \text{mol}

, do đó

m(\text{Na}) = (0{,}0933)(22{,}99) = 2{,}14\ \text{g}

Nếu đề hỏi thêm

\text{Cl}_2

thì phải chia đôi vì mỗi phân tử

\text{Cl}_2

cần 2 electron, cho

0{,}0466\ \text{mol}

, tức khoảng

3{,}31\ \text{g}

Phân hủy $\text{NaCl}$ nóng chảy là quá trình không tự diễn biến ( $\Delta G° > 0$ ), nên tế bào chỉ chạy được nhờ hiệu điện thế ngoài; natri lỏng sinh ra ở cathode còn khí clo thoát ra ở anode. Với dòng $5{,}00\ \text{A}$ trong $30{,}0$ phút, tế bào chuyển $0{,}0933\ \text{mol}$ electron và tạo được $2{,}14\ \text{g}$ $\text{Na}(l)$ .

Liên quancầu muối (sắp có)thế điện cực pin

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