Chemistry Labs

Lớp 12

Pin điện, thế điện cực, phương trình Nernst

Phản ứng oxi hoá–khử tự xảy ra có thể đẩy electron chạy qua dây dẫn như thế nào, và hiệu điện thế được dự đoán ra sao.

1 THCS2 THPT3 Đại học4 Nâng cao5 Nghiên cứu

Trực giácTrực giác: tách hai nửa của phản ứng oxi hoá–khử

Cho thanh kẽm vào dung dịch đồng(II): kẽm tan còn đồng bám lên, electron chuyển thẳng từ Zn\ce{Zn} sang CuX2+\ce{Cu^2+}. Nếu hai kim loại đặt ở hai cốc riêng, nối bằng dây dẫn và cầu muối, electron buộc phải chạy qua dây dẫn, và dòng điện đó có thể sinh công. Đó là pin điện hoá (pin Galvani).

Pin điện hoá 3D với hai cốc, hai điện cực, dây dẫn có electron chạy, cầu muối và số chỉ hiệu điện thế.
Đổi cặp điện cực và đọc hiệu điện thế. Kéo lg Q và mức độ phản ứng để thấy phương trình Nernst hoạt động.

Phổ thôngMức phổ thông: điện cực và hiệu điện thế

Trong mọi pin, sự oxi hoá xảy ra ở anot (cực âm của pin điện hoá) và sự khử ở catot (cực dương). Với pin Daniell: Zn→ZnX2++2 eX−\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-} và CuX2++2 eX−→Cu\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}. Cầu muối cho các ion di chuyển để không cốc nào bị tích điện.

Thế khử chuẩn ở 25 °C
Nửa phản ứngE° (V)
ZnX2++2 eX−→Zn\ce{Zn^2+ + 2e- -> Zn}−0,76
FeX2++2 eX−→Fe\ce{Fe^2+ + 2e- -> Fe}−0,44
CuX2++2 eX−→Cu\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}+0,34
AgX++eX−→Ag\ce{Ag+ + e- -> Ag}+0,80
Ecell∘=Ecathode∘−Eanode∘E^\circ_{\text{cell}} = E^\circ_{\text{cathode}} - E^\circ_{\text{anode}}

Ví dụ: Pin Daniell

Tìm hiệu điện thế chuẩn của pin Zn / Cu và năng lượng Gibbs chuẩn của phản ứng.

Lời giải

E∘=0,34−(−0,76)=1,10E^\circ = 0{,}34 - (-0{,}76) = 1{,}10 V. Với n=2n = 2: ΔG∘=−nFE∘=−2×96485×1,10≈−212\Delta G^\circ = -nFE^\circ = -2 \times 96485 \times 1{,}10 \approx -212 kJ/mol, âm nên phản ứng tự xảy ra.

Đại họcĐại học: phương trình Nernst

E=E∘−RTnFln⁡Q  ≈  E∘−0.05916nlg⁡Q(25 ∘C)E = E^\circ - \frac{RT}{nF}\ln Q \;\approx\; E^\circ - \frac{0.05916}{n}\lg Q \quad (25\,^\circ\text{C})

Khi nồng độ khác chuẩn, hiệu điện thế theo thương số phản ứng QQ, ở đây là [ZnX2+]/[CuX2+][\ce{Zn^2+}]/[\ce{Cu^2+}]. Nó giảm khi pin phóng điện (QQ tăng) và bằng E=0E = 0 ở trạng thái cân bằng, khi Q=KQ = K và ΔG=0\Delta G = 0: pin hết điện.

Ví dụ: Bên kẽm được pha loãng

Tìm EE của pin Daniell khi [ZnX2+]=0,010[\ce{Zn^2+}] = 0{,}010 mol/L và [CuX2+]=1,0[\ce{Cu^2+}] = 1{,}0 mol/L.

Lời giải

Q=0,010Q = 0{,}010 nên lg⁡Q=−2\lg Q = -2 và E=1,10−0,059162(−2)≈1,16E = 1{,}10 - \frac{0{,}05916}{2}(-2) \approx 1{,}16 V. Đặt lg⁡Q=−2\lg Q = -2 trong mô phỏng để kiểm tra.