Đáp án Hoá học 12 chân trời sáng tạo Bài 12: Thế điện cực và nguồn điện hoá học

BÀI 12. THẾ ĐIỆN CỰC VÀ NGUỒN ĐIỆN HOÁ HỌC

MỞ ĐẦU

Người ta dùng hai sợi dây làm bằng hai kim loại khác nhau cắm vào một quả chanh và nối với một bóng đèn 3V thì thấy bóng đèn sáng. Như vậy, quả chanh có cắm hai sợi dây kim loại khác nhau đóng vai trò như một viên pin, phát sinh ra dòng điện.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin như thế nào?

Hướng dẫn chi tiết:

- Pin điện hoá là pin có cấu tạo gồm hai điện cực, mỗi điện cực ứng với một cặp oxi hoá – khử và thường nối với nhau qua cầu muối.

- Nguyên tắc hoạt động của pin là: ở anode (hay điện cực âm) xảy ra quá trình oxi hoá, ở cathode (hay điện cực dương) xảy ra quá trình khử.

1. CẶP OXI HOÁ – KHỬ CỦA KIM LOẠI

Thảo luận 1: Xác định dạng oxi hoá và dạng khử trong các quá trình (2) và (3).

Hướng dẫn chi tiết:

- Trong quá trình (2), dạng oxi hoá của phản ứng là Cu²⁺, dạng khử là Cu.

- Trong quá trình (3), dạng oxi hoá của phản ứng là Ag⁺, dạng khử là Ag

Thảo luận 2: Viết các cặp oxi hoá – khử trong quá trình (2) và (3).

Hướng dẫn chi tiết:

Quá trình (2) và (3) có cặp oxi hoá – khử lần lượt là Cu²⁺/Cu và Ag⁺/Ag.

Luyện tập: Viết các cặp oxi hoá – khử của kim loại Na, Mg và Al.

Hướng dẫn chi tiết:

Các cặp oxi hoá – khử của kim loại Na, Mg, Al lần lượt là Na⁺/Na, Mg²⁺/Mg và Al³⁺/Al.

2. THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN CỦA KIM LOẠI VÀ PIN GALVANI

Thảo luận 3: Quan sát Hình 12.1, hãy mô tả cấu tạo của pin Galvani. Cho biết cực dương, cực âm và chiều di chuyển của electron trong pin.

Hướng dẫn chi tiết:

- Pin Galvani Zn-Cu gồm điện cực kẽm và điện cực đồng, hai điện cực này được nối với nhau bởi cầu muối. Trong đó:

+ Cực dương (hay điện cực cathode): Cu, cực âm (hay điện cực anode): Zn.

+ Các electron trong pin đi từ cực âm sang cực dương tức là chúng di chuyển ngược chiều dòng điện.

Thảo luận 4: Điện cực nào bị tan dần trong pin Galvani Zn-Cu?

Hướng dẫn chi tiết:

Điện cực bị tan dần trong pin Galvani Zn – Cu là điện cực âm hay điện cực anode Zn.

3. Ý NGHĨA CỦA DÃY THẾ ĐIỆN CỰC CHUẨN KIM LOẠI

Thảo luận 5: Dựa vào Bảng 12.1, hãy sắp xếp theo chiều tăng dần tính oxi hoá của các ion Li⁺, Fe²⁺, Ag⁺ và chiều tăng dần tính khử của các kim loại tương ứng.

Hướng dẫn chi tiết:

- Chiều tăng dần tính oxi hoá trong 3 ion đề bài cho là: Li⁺, Fe²⁺, Ag⁺.

- Chiều tăng dần tính khử trong 3 ion đề bài cho là: Ag⁺, Fe²⁺, Li⁺.

Thảo luận 6: Cho Al và Ag vào dung dịch HCl 1 M. Dựa vào Bảng 12.1, dự đoán phản ứng nào có thể xảy ra. Viết phương trình hoá học của phản ứng (nếu có).

Hướng dẫn chi tiết:

Phản ứng có thể xảy ra là phản ứng cho Al vào dung dịch HCl 1 M. Vì Al có giá trị thế điện cực chuẩn nhỏ hơn giá trị thế điện cực chuẩn của H⁺ nên tính khử của Al mạnh hơn và có thể khử H⁺ thành H, ngược lại Ag có giá trị thế điện cực chuẩn lớn hơn nên tính khử của Ag lớn hơn, do đó phản ứng giữa Ag và HCl không xảy ra. Phương trình hoá học: 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂↑

Thảo luận 7: Dựa vào Bảng 12.1, xác định cathode và anode trong pin điện hoá Zn-Pb gồm điện cực chuẩn Zn²⁺/Zn và điện cực chuẩn Pb²⁺/Pb. Tính sức điện động chuẩn của pin.

Hướng dẫn chi tiết:

- Pin điện hoá Zn-Pb gồm: cathode là Pb, anode là Zn.

- Ta có các giá trị thế điện cực chuẩn của anode và cathode lần lượt là:

 .

Vậy sức điện động chuẩn của pin là:

4. MỘT SỐ LOẠI PIN KHÁC

Thảo luận 8: Hãy nêu một số ứng dụng của pin mặt trời trong đời sống.

Hướng dẫn chi tiết:

Ứng dụng của pin mặt trời trong đời sống hằng ngày là: chiếu sáng công cộng, đèn giao thông, phương tiện giai thông, vệ tinh,…

Thảo luận 9: Hãy nêu một số thiết bị sử dụng acquy mà em biết.

Hướng dẫn chi tiết:

Acquy được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống. Một số thiết bị sử dụng acquy mà em biết: xe máy, ô tô, đèn thắp sáng,…

Thảo luận 10: Tìm hiểu và nêu ưu, nhược điểm của pin nhiên liệu, pin mặt trời và acquy.

Hướng dẫn chi tiết:

- Pin nhiên liệu:

+ Ưu điểm: pin nhiên liệu có nhiên liệu được bổ sung liên tục nên thời gian hoạt động của pin không bị hạn chế bởi tác nhân bên ngoài.

+ Nhược điểm: công nghệ để sử dụng pin nhiên liệu chưa được phổ biến và giá thành cao của pin rất cao.

- Pin mặt trời:

+ Ưu điểm: pin mặt trời sử dụng nguồn năng lượng xanh (từ ánh sáng mặt trời), thân thiện với môi trường, chi phí không quá cao, thời gian sử dụng lâu.

+ Nhược điểm: pin mặt trời cần một không gian rộng (như mái nhà) để lắp đặt, pin phải tiếp xúc với ánh sáng mặt trời mới hoạt động được và nó khó di chuyển.

- Acquy:

+ Ưu điểm: acquy có dung lượng cũng như tuổi thọ, khả năng chịu tải cao và acquy dễ dàng tích hợp được với nhiều thiết bị khác nhau, phục vụ cho các mục đích khác nhau.

+ Nhược điểm: thời gian sạc acquy rất lâu, trọng lượng của acquy nặng, giá thành khá cao,…

Vận dụng: Lắp ráp thêm một số pin đơn giản từ các nguyên liệu khác và đo sức điện động của pin.

Hướng dẫn chi tiết:

Ta có thể lắp ráp pin từ đồng xu và giấy.

Dụng cụ cần chuẩn bị: đồng xu, giấy bạc, giấy bìa cứng (hay giấy carton cứng), dây dẫn điện. Ngoài ra ta cần một ít ngguyên liệu giấm ăn.

Tiến hành:

- Cắt những miếng giấy carton có kích thước vừa bằng đồng xu, cắt giấy bạc có hình dạng tương tự như giấy carton.

- Ngâm giấy carton vào giấm ăn sao cho các mặt của giấy ngấm đều giấm.

- Tiến hành xếp theo thứ tự tiền xu – giấy ngâm giấm – giấy bạc đến số lượng mong muốn.

- Tiến hành ghi nhận giá trị mà vôn kế hiển thị. Sức điện động của pin đo được là: 0,987 V.

BÀI TẬP

Bài 1: Cho các kim loại: K, Mg, Al, Ag. Hãy viết các cặp oxi hoá – khử tạo bởi các kim loại đó và dựa vào bảng giá trị thế điện cực chuẩn, sắp xếp theo thứ tự giảm dần tính oxi hoá của các ion kim loại tương ứng.

Hướng dẫn chi tiết:

- Các cặp oxi hoá – khử tạo bởi các kim loại K, Mg, Al, Ag lần lượt là: K⁺/K, Mg²⁺/Mg, Al³⁺/Al và Ag⁺/Ag.

- Thứ tự giảm dần tính oxi hoá của các ion trên là: Ag⁺, Al³⁺, Mg²⁺, K⁺.

Bài 2: Xác định chiều của các phản ứng hoá học xảy ra giữa các cặp oxi hoá – khử: Cu²⁺/Cu, Zn²⁺/Zn và Ag⁺/Ag ở điều kiện chuẩn. Giải thích và viết phương trình hoá học.

Hướng dẫn chi tiết:

Để biết chiều của phản ứng hoá học ta so sánh giá trị thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá – khử nhau.

- Với cặp oxi hoá – khử Cu²⁺/Cu và Zn²⁺/Zn:

Ta có: = -0,76 V <  = 0,34 V

Phương trình hoá học: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

- Với cặp oxi hoá – khử Cu²⁺/Cu và Ag⁺/Ag:

Ta có: = 0,34 V <  = 0,80 V

Phương trình hoá học: Cu + Ag⁺ → Cu²⁺ + Ag

- Với cặp oxi hoá – khử Zn²⁺/Zn và Ag⁺/Ag:

Ta có: = -0,76 V <  = 0,80 V

Phương trình hoá học: Zn + Ag⁺ → Zn²⁺ + Ag

Bài 3: Trong pin điện hoá, quá trình khử

1. xảy ra ở cực âm. B. xảy ra ở cực dương.
2. xảy ra ở cực âm và cực dương. D. không xảy ra ở cả cực âm và cực dương.

Hướng dẫn chi tiết:

Chọn đáp án B vì pin điện hoá có cực dương xảy ra quá trình khử và ở cực âm xảy ra quá trình oxi hoá.

Bài 4: Khi pin Galvani Zn-Cu hoạt động thì nồng độ

1. Cu²⁺ giảm, Zn²⁺ tăng. B. Cu²⁺ giảm, Zn²⁺ giảm.
2. Cu²⁺ tăng, Zn²⁺ tăng. D. Cu²⁺ tăng, Zn²⁺ giảm.

Hướng dẫn chi tiết:

Chọn đáp án A vì:

- Ở điện cực Zn xảy ra quá trình oxi hoá: Zn → Zn²⁺ + 2e. Khi đó, sự mất electron xảy ra trên bề mặt Zn và Zn trờ thành nguồn electron nên nó đóng vai trò là điện cực âm, các electron theo dây dẫn đến cực dương Cu. Như vậy, khối lượng điện cực Zn giảm, nồng độ Zn²⁺ tăng.

- Trong cốc đựng dung dịch CuSO₄, các ion Cu²⁺ di chuyển đến thanh Cu, có quá trình khử xảy ra: Cu²⁺ + 2e → Cu. Nồng độ Cu²⁺ trong dung dịch giảm dần, khiến cho màu xanh trong dung dịch nhạt dần.

Bài 5: Cho một pin điện hoá được tạo bởi các cặp oxi hoá khử Fe²⁺/Fe, Ag⁺/Ag ở điều kiện chuẩn. Quá trình xảy ra ở cực âm khi pin hoạt động là

1. Fe → Fe²⁺ + 2e B. Fe²⁺ +2e → Fe
2. Ag⁺ + 1e → Ag D. Ag → Ag⁺ + 1e

Hướng dẫn chi tiết:

Chọn đáp án C vì khi pin hoạt động, quá trình oxi hoá diễn ra ở cực âm và pin điện hoá ở bài này có điện cực âm là Ag. Kết hợp cả hai điều kiện trên ta chọn đáp án C.

Bài 6: Dựa vào Bảng 12.1, tính sức điện động chuẩn của các pin điện hoá tạo bởi các cặp oxi hoá – khử sau: Fe²⁺/Fe và Cu²⁺/Cu; Sn²⁺/Sn và Ag⁺/Ag; Pb²⁺/Pb và Ag⁺/Ag.

Hướng dẫn chi tiết:

Tra bảng 12.1, ta tính được sức điện động chuẩn của các pin điện hoá tạo bởi các cặp oxi hoá – khử là:

- Fe²⁺/Fe và Cu²⁺/Cu:

- Sn²⁺/Sn và Ag⁺/Ag:

- Pb²⁺/Pb và Ag⁺/Ag: