Pin điện hóa là gì (chi tiết nhất)

Bài viết Pin điện hóa là gì lớp 12 chi tiết nhất là kiến thức có trong chương trình Hóa học 12 giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm về Pin điện hóa.

Pin điện hóa là gì (chi tiết nhất)

1. Pin điện hóa là gì?

- Trong pin điện hóa, các quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hoá qua dây dẫn. Năng lượng của phản ứng hoá học xảy ra trong pin điện hóa sẽ chuyển thành năng lượng điện.

2. Kiến thức mở rộng

2.1 Pin Galvani

Minh hoạ 1 pin Galvani:

Ở 25 °C, nhúng một thanh Zn vào cốc đựng dung dịch ZnSO₄ 1 M, nhúng một thanh Cu vào cốc đựng dung dịch CuSO₄ 1 M. Nối thanh Zn và thanh Cu bằng dây dẫn, lắp một vôn kế để đo hiệu điện thế. Đóng kín mạch bằng một cầu muối.

- Ở thanh Zn xảy ra quá trình: Zn  →  Zn²⁺ + 2e

Thanh Zn trở thành nguồn cung cấp electron nên đóng vai trò là cực âm (anode). Các electron theo dây dẫn di chuyển sang điện cực Cu.

- Ở thanh Cu xảy ra quá trình: Cu²⁺ + 2e  →  Cu

Điện cực Cu là nơi nhận electron nên đóng vai trò là cực dương (cathode).

- Trong pin Zn - Cu xảy ra quá trình oxi hoá và quá trình khử trên các điện cực, nghĩa là xảy ra phản ứng oxi hoá - khử: Zn + Cu²⁺  →  Zn²⁺ + Cu

Phản ứng này giống như phản ứng xảy ra khi cho Zn tác dụng trực tiếp với dung dịch CuSO₄. Việc bố trí tách biệt hai cặp oxi hoá - khử ở hai điện cực tạo ra sự truyền electron từ chất khử sang chất oxi hoá qua dây dẫn để tạo ra dòng điện.

- Trong quá trình pin hoạt động, cầu muối cho phép các ion di chuyển qua, do đó vừa đóng kín mạch điện, vừa duy trì tính trung hoà điện của mỗi dung dịch.

- Sức điện động của pin đo ở điều kiện chuẩn gọi là sức điện động chuẩn. Sức điện động chuẩn có thể xác định dựa vào thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá - khử tương ứng:

E° _pin = E°_cathode - E°_anode

Ví dụ: đối với pin Zn - Cu:

Tại anode:

Zn → Zn²⁺ + 2e                           $E_{Z{n}^{2+}/Zn}^o=-0,762V\left(E_{anode}^o\right)$

Tại cathode:

Cu²⁺ + 2e → Cu                         $E_{C{u}^{2+}/Cu}^o=+0,340V\left(E_{{{}_{cath}}_{ode}}^o\right)$

E_pin = E°_cathode - E°_anode = 0,340 V - (-0,762 V) = 1,102 V.

2.2. Một số loại pin khác

- Acquy là nguồn điện được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông, thiết bị lưu điện, phát điện. Acquy thuộc loại pin thứ cấp (pin sạc), các chất phản ứng được tái tạo trong quá trình sạc bằng dòng điện một chiều.

- Pin nhiên liệu là loại pin điện hoá chuyển đổi hoá năng thành điện năng thông qua phản ứng oxi hoá - khử giữa nhiên liệu và chất oxi hoá. Trong đó, các nhiên liệu thường là methane, methanol, ethanol, hydrogen,... còn chất oxi hoá thường là oxygen. Pin nhiên liệu hydrogen - oxygen có nhiều ứng dụng và triển vọng trong tương lai.

- Pin Mặt Trời (solar cell) gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn được ghép nối với nhau, có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng.

Ưu, nhược điểm của acquy, pin nhiên liệu và pin Mặt Trời

Pin	Ưu điểm	Nhược điểm
Acquy chì	Dễ sản xuất, giá thành thấp. Hoạt động ổn định. Dễ thu hồi sulfuric acid và chì để tái chế.	Nặng, tuổi thọ thấp (trung bình khoảng 1 năm). Gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc chì ở các làng nghề tái chế acquy cũ.
Pin nhiên liệu	Điều chỉnh được cường độ dòng điện nhờ thay đổi tốc độ dòng nhiên liệu. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát.	Giá thành cao.
Pin Mặt Trời	Là nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. Tận dụng được năng lượng vô tận của Mặt Trời.	Sản xuất khá phức tạp, giá thành cao. Cần nhiều ánh nắng nên phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết. Các tấm pin Mặt Trời hết hạn sử dụng có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.

Ngoài ra:

- Pin lithium-ion:

+ Pin lithium-ion thuộc loại pin sạc, được sử dụng trong máy tính laptop, điện thoại, máy quay phim, phương tiện giao thông chạy điện,...

+ Pin lithium-ion có nhiều ưu điểm như nhẹ, nhỏ gọn, bền, mật độ năng lượng cao, sạc nhanh và có thể sạc mọi thời điểm. Pin lithium-ion có nhược điểm là giá thành cao, dễ hư hỏng bởi nhiệt, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

- Pin khô:

+ Pin khô thuộc loại pin sơ cấp (không sạc được), được dùng trong thiết bị điều khiển, máy ảnh, đồ chơi,...

+ Pin khô có nhiều ưu điểm như năng lượng ổn định, giá rẻ, phù hợp các thiết bị di động. Pin khô có nhược điểm là điện áp thấp, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường.

3. Bài tập minh họa

Câu 1. Cho Pin điện hoá Al – Pb. Biết $E_{A{l}^{3+}/Al}^o=-1,66V$;  $E_{P{b}^{2+}/Pb}^o=-0,13V$^. Sức điện động của Pin điện hoá Al – Pb là

A. 1,79V.

B. −1,79V.            

C. −1,53V.

D. 1,53V.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

$E_{PinAl–Pb}^o$= $E_{P{b}^{2+}/Pb}^o$ − $E_{A{l}^{3+}/Al}^o$ = – 0,13 – (–1,66) = 1,53 V.

Câu 2. Cho pin điện hóa Pb – Cu có sức điện động chuẩn $E_{pin(Pb–Cu)}^o$= 0,47 V, pin Zn – Cu có sức điện động chuẩn $E_{pin(Zn–Cu)}^o$= 1,10 V. Sức điện động chuẩn của pin Zn – Pb là

A. 0,63 V.

B. 1,57 V.

C. 0,47 V.

D. 0,55 V.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Ta có: $E_{pin(Pb–Cu)}^o$= $E_{C{u}^{2+}/Cu}^o-E_{P{b}^{2+}/Pb}^o=0,47V$

$E_{pin(Zn–Cu)}^o$= $E_{C{u}^{2+}/Cu}^o-E_{Z{n}^{2+}/Zn}^o=1,10V$

⟹ $E_{pin(Zn–Pb)}^o$= $E_{P{b}^{2+}/Pb}^o-E_{Z{n}^{2+}/Zn}^o$ $=E_{pin(Zn–Cu)}^o-E_{pin(Pb–Cu)}^o$ $=1,10-0,47=0,63$

Vậy sức điện động chuẩn của pin Zn – Pb là 0,63 V.

Câu 3. Trong quá trình hoạt động của pin điện Ni − Cu, quá trình xảy ra ở anode là

A. Ni ⟶ Ni²⁺ + 2e.

B. Cu ⟶ Cu²⁺ + 2e.

C. Cu²⁺ + 2e ⟶ Cu.

D. Ni²⁺ + 2e ⟶ Ni.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Trong pin điện hóa Ni − Cu thì cực âm là Ni (anode) xảy ra quá trình oxi hóa: Ni ⟶ Ni²⁺ + 2e.

Câu 4. Cho một pin điện hóa được tạo bởi cặp oxi hóa – khử Fe²⁺/Fe và Ni²⁺/Ni. Phản ứng xảy ra ở cực âm của pin điện hóa (ở điều kiện chuẩn) là

A. Fe → Fe²⁺ + 2e.

B. Ni → Ni²⁺ + 2e.

C. Fe²⁺ + 2e → Fe.

D. Ni²⁺ + 2e → Ni.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: A

Cực âm (anode) là điện cực của Fe, xảy ra quá trình oxi hóa: Fe → Fe²⁺ + 2e.

Câu 5. Cho pin điện hóa Al – Cu. Biết $E_{A{l}^{3+}/Al}^{°}$= –1,66 V và $E_{C{u}^{2+}/Cu}^{°}$= 0,34 V. Sức điện động chuẩn của pin điện hóa Al – Cu là

A. 1,00 V.

B. 1,34 V.

C. 1,66 V.

D. 2,00 V.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Sức điện động chuẩn của pin điện hóa Al – Cu:

$E_{pin(Al-Cu)}^{°}$= $E_{C{u}^{2+}/Cu}^{°}$– $E_{A{l}^{3+}/Al}^{°}$= 0,34 – (–1,66) = 2,00 (V).

Câu 6. Cho pin điện hóa Zn²⁺/Zn và Cu²⁺/ Cu. Biết $E_{C{u}^{2+}/Cu}^{°}$= 0,34 V và $E_{Z{n}^{2+}/Zn}^{°}$= 0,76 . Sức điện động chuẩn của pin là

A. 1,0 V.

B. 1,3 V.

C. 1,6 V.

D. 1,1 V.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

${\text{E}}_{\text{pin}}^o{\text{= E}}_{{\text{Cu}}^{\text{2+}}\text{/Cu}}^o-{\text{E}}_{{}_{{\text{Zn}}^{\text{2+}}\text{/Zn}}}^o$ $\Rightarrow {\text{ E}}_{\text{pin}}^o=0,34-(-0,76)=1,\text{1V}$.

Câu 7. Sức điện động chuẩn của pin Cu²⁺/ Cu và Ag⁺/ Ag là ${\text{E}}_{\text{pin}}^o$= 0,46V; Biết ${\text{E}}_{{\text{Cu}}^{\text{2+}}\text{/Cu}}^o\text{= 0,34V}$. Thế điện cực chuẩn của cặp oxi hóa – khử Ag⁺/ Ag là

A. 1,2 V.

B. 1,4 V.

C. 0,9 V.

D. 0,8 V.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

${\text{E}}_{\text{pin}}^o{\text{= E}}_{{\text{Ag}}^{\text{+}}\text{/Ag}}^o-{\text{E}}_{{\text{Cu}}^{\text{2+}}\text{/Cu}}^o$ $\to {\text{E}}_{{\text{Ag}}^{\text{+}}\text{/Ag}}^o{\text{= E}}_{\text{pin}}^o{\text{+ E}}_{{\text{Cu}}^{\text{2+}}\text{/Cu}}^o$

${\text{E}}_{{\text{Ag}}^{\text{+}}\text{/Ag}}^o\text{= 0,46 + 0,34 = 0,8V}$.

Câu 8. Pin Galvani Zn − Cu gồm điện cực kẽm và điện cực đồng được nối với nhau bởi cầu muối (thường chứa dung dịch KCl bão hòa). Phát biểu nào về pin trên là không đúng?

A. Khi hoạt động, điện cực Zn bị tan đi.

B. Tại cực dương (cathode) xãy ra sự oxi hóa Zn.

C. Dòng electron di chuyển từ cực Zn sang cực Cu.

D. Khối lượng cực Cu tăng lên so với trước khi hoạt động.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

B. Sai vì cực dương là Cu xảy ra sự khử Cu²⁺.

Xem thêm các bài viết về định nghĩa & khái niệm môn Hóa học hay, chi tiết khác:

• Quy tắc alpha là gì

• Pin nhiên liệu là gì

• Pin mặt trời là gì

• Pin khô là gì

• Pin lithium - ion là gì

• Acquy chì là gì

---