Chuyên đề Pin điện và điện phân lớp 12

Tài liệu chuyên đề Pin điện và điện phân lớp 12 trong Chuyên đề dạy thêm Hóa học 12 gồm các dạng bài tập từ cơ bản đến nâng cao với phương pháp giải chi tiết và bài tập tự luyện đa dạng giúp Giáo viên có thêm tài liệu giảng dạy Hóa 12.

Chuyên đề Pin điện và điện phân lớp 12

Xem thử

Chỉ từ 300k mua trọn bộ Chuyên đề dạy thêm Hóa học 12 (sách mới) bản word có lời giải chi tiết:

• B1: gửi phí vào tk: 0711000255837 - NGUYEN THANH TUYEN - Ngân hàng Vietcombank (QR)
• B2: Nhắn tin tới Zalo VietJack Official - nhấn vào đây để thông báo và nhận giáo án

• Chủ đề 1: Thế điện cực và nguồn điện hóa học

• Chủ đề 2: Điện phân

• Chủ đề 3: Ôn tập chương Pin điện và điện phân

• Các dạng bài tập Pin điện và điện phân

Chủ đề 1: Thế điện cực và nguồn điện hóa học

I. Cặp oxi hóa – khử

- Dạng oxi hóa (Mⁿ⁺) và dạng khử (M) của cùng một kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử Mⁿ⁺/M.

           Mⁿ⁺    +    ne  $\stackrel{}{\rightleftharpoons }$  M

 Dạng oxi hóa          Dạng khử ⇒ Cặp oxi hóa – khử: Mⁿ⁺/M (Dạng oxi hóa/ Dạng khử)

- Một kim loại có thể có nhiều cặp oxi hóa – khử và dạng khử có thể là cation.

VD: Na⁺/Na, Mg²⁺/Mg, Al³⁺/Al, Fe²⁺/Fe, Fe³⁺/Fe, Fe³⁺/Fe²⁺, …

II. Thế điện cực chuẩn

1. Điện cực và thế điện cực chuẩn

♦ Khi nhúng thanh kim loại (M) vào dung dịch muối của kim loại đó (Mⁿ⁺) sẽ tạo thành một điện cực.

VD: Nhúng thanh Zn vào dung dịch muối chứa Zn²⁺ sẽ tạo thành điện cực kẽm.

        Nhúng thanh Cu vào dung dịch muối chứa Cu²⁺ sẽ tạo thành điện cực đồng.

♦ Ở mỗi điện cực sẽ xuất hiện một đại lượng đặc trưng về điện thế gọi là thế điện cực (E).

♦ Thế điện cực đo ở điều kiện chuẩn (nồng độ ion kim loại là 1 M, nhiệt độ 25 ^oC) thì được gọi là thế điện cực chuẩn của kim loại. Kí hiệu: $E_{M^{n+}/M}^0$, đơn vị là volt (V).

- Bằng cách đo sự chênh lệch điện thế giữa điện cực cần đo với điện cực hydrogen ở điều kiện chuẩn người ta xác định được thế điện cực chuẩn của điện cực đó (quy ước: $E_{2H^{+}/H_2}^o=0V$).

Cặp Oxi hóa – khử	Na+/Na	Mg2+/Mg	Al3+/Al	Zn2+/Zn	Fe2+/Fe	Ni2+/Ni	Sn2+/Sn	Pb2+/Pb
$E_{M^{n+}/M}^0$(V)	- 2,713	-2,356	-1,676	-0,672	-0,44	-0,257	-0,137	-0,126
Cặp Oxi hóa – khử	2H+/H2	Cu2+/Cu	Fe3+/Fe2+	Ag+/Ag	Hg2+/Hg	Pt2+/Pt	Au3+/Au
$E_{M^{n+}/M}^0$(V)	0,000	+0,34	+0,771	+0,799	+0,853	+1,188	+1,52

- Giá trị thế điện cực chuẩn là đại lượng đánh giá khả năng khử của dạng khử, khả năng oxi hóa của dạng oxi hóa trong điều kiện chuẩn.

- Giá trị thế điện cực chuẩn càng lớn thì dạng khử có tính khử càng yếu, dạng oxi hóa có tính oxi hóa càng mạnh và ngược lại.

2. Ý nghĩa của thế điện cực chuẩn

a. So sánh tính khử, tính oxi hóa giữa các cặp oxi hóa – khử

- Nếu $E_{X^{m+}/X}^o<E_{Y^{n+}/Y}^o\Rightarrow \left\{\begin{array}{l}Tính oxi hóa của X^{m+} yếu hơn tính oxi hóa{Y}^{n+}.\\ Tính khử củaX mạnh hơn tính khử củaY\end{array}\right.$

- Các cặp oxi hóa – khử được xếp thành một dãy theo chiều tăng dần thế điện cực chuẩn gọi là dãy điện hóa của kim loại:

b. Dự đoán chiều phản ứng giữa hai cặp oxi hóa – khử (quy tắc alpha)

III. Pin điện hóa

1. Phản ứng oxi hóa – khử và dòng điện

- Phản ứng oxi hóa – khử luôn kèm theo sự chuyển dịch electron từ chất khử sang chất oxi hóa. Nếu các quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hóa gián tiếp qua dây dẫn thì năng lượng của phản ứng hóa học sẽ chuyển thành năng lượng điện.

2. Pin Galvani

(a) Cấu tạo - Một pin Galvani gồm hai cặp oxi hóa – khử khác nhau và thường có cấu tạo như hình bên. - Pin Galvani Zn – Cu gồm hai điện cực Zn và Cu: Hai thanh kim loại nối với nhau bằng dây dẫn qua vôn kế, hai dung dịch nối với nhau qua cầu muối. (b) Nguyên tắc hoạt động - Dựa trên phản ứng oxi hóa – khử tự diễn biến, trong đó electron chuyển từ cực âm sang cực dương thông qua một dây dẫn điện. - Phản ứng hóa học diễn ra trong pin kèm theo sự giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.
	Anode (-) (Zn)	Cathode (+) (Cu)
	- Anode: cực âm, chứa kim loại mạnh hơn, xảy ra quá trình oxi hóa. - Quá trình oxi hóa: Zn → Zn2+ + 2e	- Cathode: cực dương, chứa kim loại yếu hơn, xảy ra quá trình khử. - Quá trình khử: Cu2+ + 2e → Cu
	- Phản ứng diễn ra trong pin: Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) - Trong quá trình pin hoạt động, cầu muối cho phép các ion di chuyển qua, do đó vừa đóng kín mạch điện, vừa trung hòa điện của mỗi dung dịch.

(c) Sức điện động của pin điện hóa

- Sức điện động chuẩn của pin điện hóa: 

3. Lắp ráp một pin đơn giản

♦ Chuẩn bị

- Hóa chất: Các thanh kim loại: Zn, Cu, Fe; quả chanh, quả cam, củ khoai tây, …

- Dụng cụ: Dây điện có sẵn kẹp cá sấu hai đầu, vôn kế.

♦ Tiến hành

- Chọn hai điện cực là hai kim loại khác nhau. VD: Thanh kẽm và thanh đồng.

- Cắm hai thanh kim loại vào quả chanh.

- Nối cực âm của vôn kế với thanh kẽm và cực dương của vôn kế với thanh đồng.

♦ Yêu cầu: Đo sức điện động của pin đã lắp theo mô hình trên.

♦ Chú ý: Không để hai thanh kim loại tiếp xúc với nhau.

Chủ đề 2: Điện phân

I. Hiên tượng điện phân

1. Khái niệm

- Điện phân là quá trình oxi hóa – khử xảy ra trên bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện li nóng chảy hoặc dung dịch chất điện li.

2. Nguyên tắc (thứ tự) điện phân

- Cathode (cực âm): Xảy ra quá trình khử ion dương.

- Anode (cực dương): Xảy ra quá trình oxi hóa ion âm.

a. Nguyên tắc điện phân nóng chảy

- Nguyên tắc khử ở cathode: Chất oxi hóa mạnh hơn bị khử trước.

- Nguyên tắc oxi hóa ở anode: Chất khử mạnh hơn bị oxi hóa trước.

♦ Điện phân nóng chảy NaCl điện cực trơ (graphite)

- Khi nóng chảy: NaCl → Na⁺ + Cl^-  khi có dòng điện Na⁺, Cl^- di chuyển về các điện cực

- Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: 2NaCl $\stackrel{\text{đpnc}}{\to }$2Na + Cl₂

b. Nguyên tắc điện phân dung dịch

- Nguyên tắc khử ở cathode: Chất oxi hóa mạnh hơn bị khử trước.

- Nguyên tắc oxi hóa ở anode: Chất khử mạnh hơn bị oxi hóa trước.

+ Các anion chứa oxygen như SO₄^2-, CO₃^2-, NO₃^-, PO₄^3-, ClO₄^- và F^- coi như không bị điện phân.

+ Các ion còn lại điện phân theo thứ tự: I^- → Br^- → Cl^- → H₂O

- Quá trình oxi hóa và khử H₂O:

♦ Điện phân dung dịch CuSO₄ với các điện cực trơ (graphite)

- Trong dung dịch: CuSO₄ → Cu²⁺ + SO₄^2- khi có dòng điện Cu²⁺, SO₄^2- di chuyển về các điện cực:

- Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: CuSO₄ + H₂O $\stackrel{\text{đpdd}}{\to }$Cu + ½ O₂↑ + H₂SO₄

♦ Điện phân dung dịch NaCl với các điện cực trơ (graphite)

- Trong dung dịch: NaCl → Na⁺ + Cl^- khi có dòng điện Na⁺, Cl^- di chuyển về các điện cực

- Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: NaCl + H₂O $\underset{\text{có màng ngăn}}{\overset{\text{đpdd}}{\to }}$ NaOH + H₂↑ + Cl₂↑

- Khi điện phân dung dịch NaCl không có màng ngăn thì Cl₂ và NaOH sinh ra sẽ phản ứng với nhau tạo nước Javel theo phương trình: Cl₂ + 2NaOH → NaCl + NaClO + H₂O

II. Ứng dụng của phương pháp điện phân

1. Sản xuất kim loại

- Trong công nghiệp, các kim loại trung bình và yếu (yếu hơn Al) được sản xuất bằng phương pháp điện phân dung dịch.

- Các kim loại mạnh như Na, K, Mg, Ca, Al, … được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy hợp chất ion của chúng.

VD: Trong công nghiệp, nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy Al₂O₃ (lấy từ quặng bauxite: Al₂O₃.2H₂O), điện cực than chì, có mặt cryolite (Na₃AlF₆) nóng chảy.

♦ Phương trình hóa học của phản ứng điện phân: 2Al₂O₃$\stackrel{\text{đpnc}}{\to }$ 4Al + 3O₂

♦ Cryolite có ba tác dụng: Hạ nhiệt độ nóng chảy của Al₂O₃ giúp tiết kiệm năng lượng, tạo ra chất lỏng dẫn điện tốt, nhẹ nổi lên trên ngăn cách Al lỏng tạo thành với không khí.

♦ Khí O₂ sinh ra tác dụng với điện cực anode than chì thành CO và CO₂ nên cần hạ thấp dần các điện cực anode vào thùng điện phân.

2. Tinh chế kim loại

- Phương pháp điện phân với anode tan được dùng để tinh chế một số kim loại như Cu, Ag, Au, …

- Trong phương pháp này thì kim loại cần tinh chế dùng làm anode và điện phân dung dịch với chất tan là muối hoặc phức chất của kim loại đó.

VD: Điện phân dung dịch CuSO₄ với anode bằng đồng thô và cathode bằng đồng tinh khiết.

♦ Tại anode: Cu bị oxi hóa thành Cu²⁺ đi vào dung dịch nên anode tan dần: Cu → Cu²⁺ + 2e

♦ Tại cathode: Cu²⁺ bị khử thành Cu bám trên cathode: Cu²⁺ + 2e → Cu

⇒ Quá trình này chuyển dời kim loại Cu từ anode (dạng đồng thô) về cathode (dạng đồng tinh khiết) và kết quả là thu được đồng tinh khiết ở cathode.

3. Mạ điện

- Phương pháp điện phân với anode tan cũng được sử dụng trong kĩ thuật mạ điện nhằm bảo vệ kim loại không bị ăn mòn và làm cho chúng trở nên sáng bóng, đẹp với lớp mạ rất mỏng.

- Trong kĩ thuật mạ điện, anode là kim loại dùng để mạ (như Ag, Cu, A, Cr, Ni, Sn, …) và cathode là vật cần mạ.

VD: Để mạ đồng lên một chiếc chìa khóa người ta tiến hành điện phân dung dịch CuSO4 với anode là kim loại Cu và cathode là chiếc chìa khóa. ♦ Tại anode: Cu → Cu2+ + 2e ♦ Tại cathode: Cu2+ + 2e → Cu - Độ dày lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện chạy qua dung dịch điện phân và thời gian mạ.

* Bài tập tự luận

Câu 1. [CD - SBT]  Điền từ hoặc cụm từ thích hợp vào chỗ trống trong các câu sau:

(a) Điện phân là quá trình ...(1)... xảy ra trên bề mặt các điện cực dưới tác dụng của ...(2)... đi qua dung dịch chất điện li hoặc chất điện li nóng chảy.

(b) Trong quá trình điện phân, ở cực âm, chất nào có tính oxi hoá ...(1)... được ưu tiên điện phân trước. Ở cực dương, chất nào có tính khử ...(2)... được ưu tiên điện phân trước. Điện phân có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tiễn, như sản xuất kim loại ...(3)..., mạ điện, ...(4)....

Câu 2. [CTST - SGK] Viết phương trình hóa học của quá trình điện phân nóng chảy các chất: MgCl₂, Al₂O₃.

Câu 3. [CTST - SGK] Viết quá trình xảy ra ở mỗi điện cự và phương trình hóa học của phản ứng điện phân khi điện phân dung dịch: AgNO₃;  CuCl₂ với điện cực graphite

Câu 4. [KNTT - SGK] Điện phân dung dịch NaCl bão hòa với điện cực trơ (graphite)

(a) Viết quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra ở mỗi điện cực, biết sản phẩm của quá trình điện phân có khí Cl₂ và H₂.

(b) Viết phương trình hóa học của phản ứng điện phân.

(c) Trong quá trình điện phân, sản phẩm tạo thành ở hai điện cực khuếch tán vào nhau sẽ xảy ra phản ứng hóa học nào?

Câu 5. [CTST - SBT]  Ở điều kiện thường, hydrogen chloride là một chất khí, dễ tan trong nước, khi hòa tan vào nước thu được dung dịch hydrochloric acid. Cho sơ đồ điện phân dung dịch hydrochloric acid, điện cực trơ như hình bên dưới:

Hoàn thành các yêu cầu sau:

(a) Gọi tên chất điện phân

(b) Xác định các ion có trong chất điện phân và xác định chúng sẽ di chuyển về phía điện cực nào

(c) Nêu hiện tượng xảy ra ở cực âm

(d) Trình bày phương pháp hóa học để nhận biết sản phẩm sinh ra ở cực âm

(e) Nêu hiện tượng xảy ra ở cực dương

(g) Trình bày phương pháp hóa học để nhận biết sản phẩm sinh ra ở cực dương

Câu 6. [CD - SBT]  Trong một dung dịch có đồng thời các ion kim loại: Fe²⁺, Cu²⁺, Ag⁺, Zn²⁺. Hãy lập luận để chỉ ra thứ tự điện phân của các ion ở cathode.

Câu 7. Điện phân dung dịch hỗn hợp: CuSO₄, FeCl₃, HCl, NaCl với điện cực trơ đến khi nước điện phân ở cả hai điện cực. Viết quá trình điện phân tại các điện cực.

Câu 8. [KNTT - SGK]

(a) Liệt kê một số đồ vật được mạ kim loại và nêu tác dụng của việc mạ đó.

(b) Kể tên một số kim loại được sản xuất bằng phương pháp điện phân.

Câu 9. [CTST - SGK]  Hãy đề xuất và trình bày cách mạ đồng (Cu) lên một đổ vật làm từ sắt (Fe) bằng phương pháp điện phân.

Câu 10. [CD - SBT] Vẽ một bình điện phân trong đó Mn²⁺ bị khử thành Mn và Sn bị oxi hoá thành Sn²⁺ . Ghi nhãn cho cực dương và cực âm, chỉ ra hướng chuyển động của các electron và viết phương trình hoá học xảy ra ở mỗi điện cực. Điện áp tối thiểu cần thiết để xảy ra sự điện phân là bao nhiêu? Biết $E_{M{n}^{2+}/Mn}^0=-{\mathrm{1,18}}_{}V$

Chủ đề 3: Ôn tập chương Pin điện và điện phân

CẶP OXI HÓA – KHỬ CỦA KIM LOẠI

- Dạng oxi hóa (Mn+) và dạng khử (M) của cùng một kim loại tạo nên cặp oxi hóa – khử, giữa chúng có mối quan hệ: Mn+ + ne $\stackrel{}{\rightleftharpoons }$ M

THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN

♦ Khái niệm: Thế điện cực chuẩn là đại lượng đánh giá khả năng khử giữa các dạng khử và khả năng oxi hóa giữa các dạng oxi hóa ở điều kiện chuẩn. ♦ Ý nghĩa - Giá trị thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử Mn+/M càng lớn thì tính oxi hóa của ion Mn+ càng mạnh và tính khử của kim loại M càng yếu và ngược lại. - Phản ứng hóa học giữa hai cặp oxi hóa – khử xảy ra theo chiều: Chất oxi hóa của cặp oxi hóa – khử có thế điện cực chuẩn lớn hơn oxi hóa chất khử của cặp oxi hóa  - khử có thế điện cực chuẩn nhỏ hơn.

NGUỒN ĐIỆN HÓA HỌC

♦ Pin Galvani - Pin Galvani có cấu tạo gồm hai điện cực, mỗi điện cực ứng với một cặp oxi hóa – khử và thường nối với nhau qua cầu muối. - Ở anode xảy ra quá trình oxi hóa còn ở cathode xảy ra quá trình khử. - Sức điện động chuẩn của pin: $E_{pin}^o=E_{cathode}^o-E_{anode}^o$ ♦ Một số nguồn điện khác - Acquy thuộc loại pin sạc, được sử dụng phổ biến trong nhiều loại ô tô. - Pin nhiên liệu và pin Mặt Trời là những năng lượng sạch, tiềm năng.

ĐIỆN PHÂN

♦ Thứ tự điện phân - Tại anode, chất khử mạnh hơn bị oxi hóa trước. - Tại cathode, chất oxi hóa mạnh hơn bị khử trước. ♦ Ứng dụng - Nhôm được sản xuất bằng phương pháp điện phân nóng chảy: 2Al2O3 $\stackrel{\text{đpnc}}{\to }$ 4Al + 3O2 - Đồng được tinh luyện bằng phương ppháp điện phân với anode bằng đồng thô. - Mạ điện được sử dụng để trang trí bề mặt hoặc bảo vệ kim loại khỏi sự ăn mòn.

* Bài tập tự luyện

1. Trắc nghiệm nhiều lựa chọn

Câu 1. [KNTT - SBT] Trong nước, thế điện cực chuẩn của kim loại Mⁿ⁺/M càng lớn thì dạng khử có tính khử...(1)... và dạng oxi hoá có tính oxi hoá...(2)... Cụm từ cần điền vào (1) và (2) lần lượt là

A. càng mạnh và càng yếu.

B. càng mạnh và càng mạnh.

C. càng yếu và càng yếu.

D. càng yếu và càng mạnh.

Câu 2. [KNTT - SBT] Cặp oxi hoá - khử nào sau đây có giá trị thế điện cực chuẩn nhỏ hơn 0?

A. Ag⁺/Ag.

B. Na⁺/Na.

C. Hg²⁺/Hg.  

D. Cu²⁺/Cu

Câu 3. [KNTT - SBT] Kí hiệu cặp oxi hoá - khử tương ứng với quá trình khử:

Fe(OH)₃ + le → Fe(OH)₂ + OH^- là

A. Fe³⁺/Fe²⁺.

B. Fe²⁺/Fe.

C. Fe³⁺/Fe.

D. Fe(OH)₃/Fe(OH)₂.

Câu 4. [KNTT - SBT] Trong dãy điện hoá của kim loại, khi đi từ trái sang phải, tính oxi hoá của cảc ion kim loại biến đổi như thế nào?

A. Không đổi.

B. Tuần hoàn.

C. Giảm dần.

D. Tăng dần.

Câu 5. [CTST - SBT] Dãy kim loại sắp xếp theo chiều tăng dần tính khử từ trái sang phải là

A. Pb, Ni, Sn, Zn.

B. Pb, Sn, Ni, Zn.

C. Ni, Sn, Zn, Pb.

D. Ni, Zn, Pb, Sn.

Câu 6. [CTST - SBT] Dãy cation kim loại được sắp xếp theo chiều tăng dần tính oxi hóa từ trái sang phải là

A. Cu²⁺. Fe²⁺, Mg²⁺.

B. Mg²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺.

C. Mg²⁺, Cu²⁺ Fe²⁺.

D. Cu²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺.

Câu 7. [KNTT - SGK] Xét các cặp oxi hóa – khử sau:

Cặp oxi hóa – khử	Al3+/Al	Ag+/Ag	Mg2+/Mg	Fe2+/Fe
Thế điện cực chuẩn (V)	-1,676	+0,799	-2,356	-0,44

(a) Kim loại có tính khử mạnh nhất, yếu nhất lần lượt là

A. Mg, Ag.

B. Al, Ag.

C. Al, Fe.

D. Mg, Fe.

(b) Số kim loại khử được ion H⁺ thành khí H₂ ở điều chuẩn là

A. 1.

B. 2.

C. 3.

D. 4.

(c) Số kim loại khử được ion Ag⁺ thành Ag ở điều kiện chuẩn là

A. 4.

B. 1.

C. 3.

D. 2.

Xem thử

Xem thêm Chuyên đề dạy thêm Hóa học lớp 12 các chương hay khác:

• Chuyên đề Ester - lipid
• Chuyên đề Carbohydrate
• Chuyên đề Hợp chất chứa Nitrogen
• Chuyên đề Polymer

---