I. Cặp Oxi Hóa – Khử và Điện Cực
Trong hóa học, cặp oxi hóa – khử là hai dạng tồn tại của một nguyên tố, một dạng ở trạng thái oxi hóa và một dạng ở trạng thái khử. Ví dụ, cặp oxi hóa – khử của kẽm là Zn2+/Zn. Tổng quát, ta có thể biểu diễn mối quan hệ giữa dạng oxi hóa (Mn+) và dạng khử (M) như sau:
Mn+ + ne– ⇌ M
Ảnh minh họa phản ứng thuận nghịch giữa ion kim loại Mn+ nhận n electron để tạo thành kim loại M, thể hiện cân bằng oxi hóa khử.
II. Thế Điện Cực Chuẩn
1. Điện Cực và Điều Kiện Chuẩn
Ứng với mỗi cặp oxi hóa – khử, ta có thể thiết lập một điện cực. Điện cực kẽm (Zn2+/Zn) được tạo thành bằng cách nhúng thanh kẽm vào dung dịch muối chứa ion Zn2+. Tương tự, điện cực đồng (Cu2+/Cu) được tạo thành bằng cách nhúng thanh đồng vào dung dịch muối chứa ion Cu2+.
Hình ảnh mô tả thí nghiệm tạo điện cực kẽm bằng cách nhúng thanh kẽm vào dung dịch Zn2+ và điện cực đồng bằng cách nhúng thanh đồng vào dung dịch Cu2+.
Tại ranh giới giữa kim loại và dung dịch chất điện li sẽ thiết lập một cân bằng:
Zn2+ + 2e– ⇌ Zn
Cu2+ + 2e– ⇌ Cu
Điện cực ở điều kiện chuẩn là điện cực kim loại có nồng độ ion kim loại là 1M và được đo ở nhiệt độ 25°C (298K).
2. Định Nghĩa Thế Điện Cực Chuẩn
Thế điện Cực Chuẩn là hiệu điện thế của một điện cực ở điều kiện chuẩn so với điện cực hydro chuẩn. Ký hiệu là Eooxi hóa/khử và đơn vị là volt (V). Điện cực hydro chuẩn được quy ước có thế điện cực bằng 0V:
2H+ + 2e– ⇌ H2 Eo2H+/H2 = 0 V
Thế điện cực chuẩn là một đại lượng quan trọng, cho biết khả năng oxi hóa của dạng oxi hóa và khả năng khử của dạng khử trong điều kiện tiêu chuẩn.
- Eo càng nhỏ: dạng khử có tính khử càng mạnh, dạng oxi hóa có tính oxi hóa càng yếu.
- Eo càng lớn: dạng khử có tính khử càng yếu, dạng oxi hóa có tính oxi hóa càng mạnh.
3. Ý Nghĩa của Thế Điện Cực Chuẩn
a) So sánh tính oxi hóa – khử
Thế điện cực chuẩn cho phép so sánh khả năng oxi hóa và khử của các cặp oxi hóa – khử khác nhau. Cặp nào có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn thì dạng khử của nó có tính khử mạnh hơn, và dạng oxi hóa có tính oxi hóa yếu hơn. Ngược lại, cặp nào có thế điện cực chuẩn lớn hơn thì dạng khử của nó có tính khử yếu hơn, và dạng oxi hóa có tính oxi hóa mạnh hơn.
Ví dụ:
EoCu2+/Cu = +0,340 V
EoAg+/Ag = +0,799 V
Vậy, tính khử của Cu mạnh hơn Ag và tính oxi hóa của ion Cu2+ yếu hơn Ag+ ở điều kiện chuẩn.
b) Dãy điện hóa của kim loại
Các cặp oxi hóa – khử (Mn+/M) được sắp xếp theo chiều tăng dần của thế điện cực chuẩn, tạo thành dãy điện hóa của kim loại. Dãy điện hóa này giúp ta so sánh tính khử và tính oxi hóa của các cặp oxi hóa – khử một cách trực quan.
Hình ảnh biểu diễn dãy điện hóa của các kim loại phổ biến, sắp xếp từ trái sang phải theo chiều tăng dần của thế điện cực chuẩn.
c) Dự đoán chiều phản ứng oxi hóa – khử
Từ giá trị thế điện cực chuẩn, ta có thể dự đoán chiều của phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử: Chất khử của cặp có thế điện cực nhỏ hơn sẽ tác dụng với chất oxi hóa của cặp có thế điện cực lớn hơn.
Quy tắc α (alpha):
Bước 1: Viết hai cặp oxi hóa – khử theo đúng thứ tự trong dãy điện hóa:
Xx+/X Yy+/Y
Bước 2: Áp dụng quy tắc alpha (α):
Sơ đồ minh họa quy tắc alpha, cho thấy chiều phản ứng oxi hóa khử xảy ra từ chất khử mạnh hơn đến chất oxi hóa mạnh hơn.
Bước 3: Xác định chiều phản ứng:
Phương trình phản ứng tổng quát thể hiện sự trao đổi electron giữa các ion và kim loại dựa theo quy tắc alpha, giúp xác định sản phẩm của phản ứng.
Ví dụ: Xác định chiều phản ứng giữa Fe2+/Fe và Cu2+/Cu.
Hướng dẫn:
Theo dãy điện hóa, Fe2+/Fe đứng trước Cu2+/Cu.
Áp dụng quy tắc alpha:
Ví dụ cụ thể về áp dụng quy tắc alpha để dự đoán chiều phản ứng giữa ion đồng Cu2+ và kim loại sắt Fe.
Phản ứng xảy ra: Cu2+ + Fe → Cu + Fe2+
III. Pin Điện Hóa và Sức Điện Động
Pin điện hóa hoạt động dựa trên phản ứng oxi hóa – khử xảy ra tự phát, tạo ra dòng điện. Trong pin, quá trình oxi hóa và khử diễn ra ở hai điện cực khác nhau, và electron được truyền từ cực âm (anode, nơi xảy ra quá trình oxi hóa) sang cực dương (cathode, nơi xảy ra quá trình khử) thông qua dây dẫn.
Mô hình pin Daniell với các thành phần chính: điện cực kẽm, điện cực đồng, dung dịch điện ly và cầu muối.
Sức điện động (E) của pin là hiệu điện thế giữa hai điện cực, được đo bằng vôn (V). Sức điện động chuẩn (Eo) của pin được tính bằng hiệu giữa thế điện cực chuẩn của cathode và anode:
Eopin = Eocathode – Eoanode
