I. KHÁI NIỆM VỀ CẶP OXI HÓA - KHỬ
Tổng quát:
Dạng oxi hóa và dạng khử của cùng một nguyên tố kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử. Cặp oxi hóa – khử trên được viết như sau: Mn+/M
Ví dụ: cặp oxi hóa – khử Fe2+/Fe
Fe2+ + 2e $\overset{{}}{\leftrightarrows}$ Fe
Dạng oxi hóa Dạng khử
II. PIN ĐIỆN HÓA
1. Khái niệm về pin điện hóa, suất điện động và thế điện cực
- Suất điện động của pin [E] là hiệu của thế điện cực dương [E[+]] và điện cực âm [E[-]]. Điện cực dương là điện cực có thế lớn hơn và suất điện động của pin luôn là số dương
E = E[+] – E[-]
- Suất điện động chuẩn của pin [Eo] là suất điện động khi nồng độ ion kim loại ở điện cực đều bằng 1M [ở 25oC]
Eo = Eo[+] – Eo[-] hoặc Eo = Eocatot – Eoanot
Ví dụ : Eo = EoCu2+/Cu – EoZn2+/Zn gọi là suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn – Cu
2. Cơ chế phát sinh dòng điện trong pin điện hóa
Giải thích hiện tượng của thí nghiệm:
- Lá Zn bị mất e [Zn bị oxi hóa: Zn → Zn2+ + 2e], Zn trở thành nguồn electron, đóng vai trò cực âm → Zn bị ăn mòn. Điện cực Zn được gọi là cực âm [anot]
- Trong cốc dung dịch CuSO4, các ion Cu2+ nhận e tạo thành Cu kim loại bám trên cực đồng: Cu2+ + 2e → Cu. Nồng độ Cu2+ trong dung dịch giảm dần → màu xanh trong dung dịch nhạt dần.
Điện cực Cu được gọi là cực dương [catot]
- Để duy trì được dòng điện trong quá trình hoạt động của pin điện hóa, người ta dùng cầu muối. Vai trò của cầu muối là trung hòa điện tích của 2 dung dịch: các ion dương Na+ hoặc K+ và Zn2+ di chuyển qua cầu muối đến cốc đựng dung dịch CuSO4. Ngược lại, các ion âm SO42- hoặc NO3- di chuyển qua cầu muối đến dung dịch ZnSO4
- Ở mạch ngoài [dây dẫn], dòng electron đi từ cực Zn sang cực Cu còn dòng điện đi từ cực Cu sang cực Zn. Vì thế điện cực Zn được gọi là anot [nơi xảy ra sự oxi hóa], điện cực Cu được gọi là catot [nơi xảy ra sự khử].
Trong pin điện hóa, anot là cực âm còn catot là cực dương
III. THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI
1. Điện cực hiđro chuẩn
Quy ước rằng: thế điện cực của điện cực hiđro chuẩn 2H+/H2 bằng 0,00 V ở mọi nhiệt độ, tức là:
Eo2H+/H = 0,00 V
2. Thế điện cực chuẩn của kim loại
- Điện cực kim loại mà nồng độ ion kim loại trong dung dịch bằng 1M được gọi là điện cực chuẩn.
- Thế điện cực tiêu chuẩn của kim loại cần đo được chấp nhận bằng bằng suất điện động của pin tạo bởi điện cực hiđro chuẩn và điện cực chuẩn của kim loại cần đo.
Có 2 trường hợp xảy ra với giá trị của thế điện cực chuẩn:
+ Thế điện cực chuẩn của cặp Mn+/M là số dương nếu khả năng oxi hóa của ion Mn+ mạnh hơn ion H+
+ Thế điện cực chuẩn của cặp Mn+/M là số âm nếu khả năng oxi hóa của ion Mn+ yếu hơn ion H+
Ví dụ: Thế điện cực chuẩn của các cặp kim loại: EoZn2+/Zn = – 0,76 V ; EoAg+/Ag = + 0,80 V
IV. DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI
Dãy điện hóa của kim loại là dãy những cặp oxi hóa – khử của kim loại được sắp xếp theo chiều tăng dần tính oxi hóa của ion kim loai và giảm dần tính khử của kim loại [thứ tự tăng dần thế điện cực chuẩn]
Dãy điện hóa của một số kim loại thông dụng:
$\frac{{{K}^{+}}}{K}\,\,\frac{N{{a}^{+}}}{Na}\,\,\frac{M{{g}^{2+}}}{Mg}\,\,\frac{A{{l}^{3+}}}{Al}\,\,\frac{Z{{n}^{2+}}}{Zn}\,\,\frac{F{{e}^{2+}}}{Fe}\,\,\frac{N{{i}^{2+}}}{Ni}\,\,\frac{S{{n}^{2+}}}{Sn}\,\,\frac{P{{b}^{2+}}}{Pb}\,\,\frac{2{{H}^{+}}}{{{H}_{2}}}\,\,\frac{C{{u}^{2+}}}{Cu}\,\,\frac{F{{e}^{3+}}}{F{{e}^{2+}}}\,\,\frac{A{{g}^{+}}}{Ag}\,\,$
Khi làm bài tập về dãy điện hóa, chúng ta cần lưu ý các cặp oxi hóa khử sau
Fe2+/Fe Cu2+/Cu Fe3+/Fe2+ Ag+/Ag
V. Ý NGHĨA CỦA DÃY ĐIỆN HÓA CỦA KIM LOẠI
1. So sánh tính oxi hóa – khử
- Trong dung môi nước, thế điện cực chuẩn của kim loại EoMn+/M càng lớn thì tính oxi hóa của cation Mn+ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại
- Từ trái sang phải, tính khử của kim loại giảm, tính oxi hóa của cation tăng
2. Xác định chiều của phản ứng oxi hóa – khử
Quy tắc $\alpha $: Để viết đúng chiều của phản ứng oxi hóa – khử, người ta viết cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn nhỏ ở bên trái, cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn ở bên phải rồi viết phương trình theo quy tắc $\alpha $.
Phản ứng xảy ra theo chiều mũi tên, tức là : Cu + 2Ag+ → Cu2+ + 2Ag
3. Xác định suất điện động chuẩn của pin điện hóa
Eopin = Eo[+] – Eo[-]
Ví dụ: suất điện động chuẩn của pin điện hóa Zn-Cu :
${{E}^{o}}_{pin}=E_{C{{u}^{2+}}/Cu}^{o}-E_{Z{{n}^{2+}}/Zn}^{o}=0,34-[-0,76]=1,1\,\,V$
Dãy điện hóa của kim loại là phần lý thuyết quan trọng xuất hiện nhiều trong các đề thi học kỳ, đại học và học sinh giỏi. Bài viết ngày hôm nay VIETCHEM sẽ chia sẻ bài giảng dãy điện hóa của kim loại đầy đủ, dễ thuộc, dễ nhớ để ứng dụng vào làm bài thi chính xác nhất.
1. Dãy điện hóa của kim loại là gì?
Dãy điện hóa là gì? Lý thuyết bài tập vận dụng
Nắm vững những lý thuyết dãy điện hóa kim loại sẽ giúp các bạn học sinh hoàn thành tốt các bài tập hóa vô cơ. Trong hóa học, cation kim loại có thể nhận electron để trở thành nguyên tử kim loại, ngược lại, các nguyên tử kim loại có thể nhường electron để tạo thành các cation kim loại, ví dụ như:
Cu2+ + 2e ↔ Cu
Ag+ + 1e ↔ Ag
Định nghĩa dãy điện hóa của kim loại là những cặp oxi hóa – khử của kim loại được sắp xếp theo chiều tăng dần tính oxi hóa của ion kim loại và giảm dần của tính khử kim loại.
2. Dãy điện hóa kim loại đầy đủ nhất
Sắp xếp theo tính oxi hóa của kim loại tăng:
K+ Na+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Fe2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ H+ Cu2+ Ag+ Au3+
Săp xếp theo tính khử của kim loại tăng: K Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Au
3. Ý nghĩa dãy điện hóa của kim loại
Dựa vào dãy điện hóa kim loại ta có thể biết được các cặp chất nào sẽ tác dụng được với nhau, qua đó sẽ dự đoán được những yếu tố sau đây:
- So sánh tính oxi hóa – khử: Tính oxi hóa của ion kim loại Mn+càng mạnh thì tính khử càng yếu và ngược lại
- Xác định được chiều phản ứng của oxi hóa – khử: Dự đoán được chiều của phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử theo quy tắc alpha.
- Xét một cặp phản ứng oxi hóa khử: Chất khử mạnh + chất oxi hóa mạnh ; Chất oxi hóa yếu hơn + chất khử yếu hơn.
Ý nghĩa của dãy điện hóa kim loại
4. Tính chất của kim loại trong dãy điện hóa
Dựa vào dãy điện hóa đầy đủ, chúng ta có thể xác định được các tính chất hóa học của các kim loại, đặc biệt là xác định được tính oxi hóa và tính khử.
Tính chất dãy điện hóa của kim loại đầy đủ
4.1. Phản ứng với phi kim
Một số kim loại trong dãy điện hóa có tham gia phản ứng với phi kim để tạp ra các muối tương ứng. Một số phi kim hay gặp đó là oxi, clo, lưu huỳnh .
Ví dụ:
- Kim loại + Clo: 2Fe + Cl2 -> 2FeCl3
- Kim loại + oxi: 4Al + O2 -> 2Al2O3
- Kim loại + lưu huỳnh: Hg + S -> HgS
4.2. Phản ứng với axit
Khá nhiều kim loại tham gia phản ứng với các dung dịch axit tạo ra muối kết hợp với việc giải phóng khí hoặc nước.
Ví dụ:
Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2 [HCl loãng]
3Cu + HNO3 -> 3CuSO4 +2NO + 4H2O, [HNO3 loãng]
4.3. Phản ứng với nước
Những kim loại thuộc nhóm IA, IIA tham gia phản ứng với nước tạo ra dung dịch kiềm và khí hidro.
Ví dụ:
2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 [khí]
4.4. Phản ứng với muối
Kim loại tác dụng với muối tạo muối mới và kim loại mới
Ví dụ:
Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu
5. Cách đọc dãy điện hóa dễ thuộc
VIETCHEM chia sẻ một số cách nhớ dãy điện hóa bằng các vần thơ. Những kim loại đứng trước có tính khử mạnh hơn những kim loại đứng sau nó. Những cation phí sau có tính oxi hóa mạn hơn những cation phía trước.
6. Bài tập về dãy điện hóa của kim loại
Bài tập dãy điện hóa kim loại
Bài tập 1: Hãy xác đính tính oxi hóa giảm dần tính của các ion kim loại sau: Mg2+, Fe3+, Fe2+
Lời Giải: Dựa vào dãy điện hóa đầy đủ, ta xác định được tính oxi hóa giảm dần của các kim loại như sau: Fe3+, Fe2+, Mg2+.
Bài tập 2: Xác định chiều phản ứng giữa hai cặp Fe2+/ Fe và Cu2+/ Cu.
Lời Giải:
Theo trật tự ta có cặp Fe2+/ Fe đứng trước cặp Cu2+/ Cu. Áp dụng quy tắc alpha tác có chiều phản ứng sau:
Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+
Như vậy, phản ứng xảy ra theo chiều ion Cu2+ oxi hóa Fe để tạo thành Cu và Fe2+
Bài tập 3: Hãy tìm xem phản ứng nào dưới đây không thể xảy ra.
A. Cu2++ Mg → Cu + Mg2+
B. Cu + Zn2+→ Cu2++ Zn
C. Cu2++ Fe → Cu + Fe2+
D. Cu + 2Ag+→ Cu2++ 2Ag
Lời Giải: Đáp án B không xảu ra do tính oxi hóa của Zn2+ yếu hơn Cu2+, do đó Zn2+ không thể oxi hóa được Cu thành Cu2+.
Bài tập 4: Hãy xác định tính oxi hóa giảm dần của các ion kim loại sau đây: Mg2+, Fe3+, Fe2+, Cu2+, Ag+
Lời Giải:
Dựa vào dãy điện hóa ta xác định được tính oxi hóa giảm dần của các ion kim loại: Ag+, Fe3+, Cu2+, Fe2+, Mg2+.
Bài tập 5: Hãy xác định tính khử giảm dần của các kim loại sau: Fe, Al, Cu, Ag, Zn
Lời Giải:
Trong dãy điện hóa của kim loại, các chất được sắp xếp theo thứ tự sau: Al, Zn, Fe, Cu, Ag.
Vậy tính khử giảm dần sẽ lè: Al, Zn, Fe, Cu, Ag.
Bài tập 6: Cho các kim loại Zn, Cu, Mg, Al. Hãy xác định tính oxi hóa của ion kim loại tăng dần.
Lời Giải:
Dựa vào dãy điện hóa đầy đủ nhất ta có chiều giảm dần của tính khử là: Mg, Al, Zn, Cu.
Vậy chiều tăng dần tính oxi hóa của kim loại sẽ là: Mg2+ < Al3+ < Zn2+ < Cu2+
Bài tập 7: Tiến hành ngâm đinh sắt trong 200 ml dung dịch CuSO4, sau khi xảy ra phản ứng ta lấy đinh sắt ra rửa và làm khô thấy mFe tăng 0,8 gam. Hãy xác định nồng độ CuSO4.
Lời Giải:
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Ta có: mđinh sắt tăng = mCu sinh ra [bám vào] – mFe pư
Gọi số mol là a, ta được: 0,8 = 64a – 56a → a = 0,1 mol =>
CM[CuSO4] = 0,1/0,2 = 0,5M
Hy vọng với bài giảng dãy điện hóa của kim loại trên đây sẽ giúp bạn đọc có thêm kiến thức hóa học ứng dụng vào làm bài tập một cách chính xác nhất. Tham khảo thêm các dạng bài hóa học tại wevsite vietchem.com.vn.