Sơ đồ pin điện hóa? Các dạng bài tập pin điện hóa có lời giải?

1. Pin điện hóa là gì?

Pin điện hóa là thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện bằng cách sử dụng các phản ứng oxi hóa khử giữa hai điện cực khác nhau trong một dung dịch chất điện phân. Pin điện hóa có rất nhiều ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày, như cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử, máy tính, ô tô, xe máy điện, hay mạ các kim loại trang trí và bảo vệ. 

Pin điện hóa là một phát minh quan trọng trong lịch sử khoa học và công nghệ. Người đầu tiên chế tạo và mô tả pin điện hóa là nhà vật lý người Ý Alessandro Volta vào năm 1800. Ông đã xếp các tấm đồng và kẽm xen kẽ với các đĩa giấy ngâm trong dung dịch muối, tạo ra một suất điện động ổn định trong một khoảng thời gian dài. Loại pin này được gọi là cọc Volta. Sau đó, nhiều loại pin điện hóa khác được phát minh và cải tiến, như pin Daniell, pin Leclanché, pin kiềm, pin lithium-ion, v.v. bởi các nhà khoa học như Daniell, Leclanché, Faraday, Edison, Jungner và Tesla.

2. Sơ đồ pin điện hóa là gì?

Sơ đồ pin điện hóa là một cách biểu diễn các thành phần và quá trình của một pin điện hóa, là một thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện hoặc ngược lại. Một pin điện hóa thường bao gồm hai kim loại khác nhau được kết nối bởi một cây cầu muối, hoặc các tế bào nửa cá thể phân cách bởi một màng xốp. Các kim loại này được gọi là điện cực, và phản ứng oxy hóa khử xảy ra giữa chúng khi có sự chuyển dịch electron. Sơ đồ pin điện hóa cho biết tên, trạng thái và nồng độ của các chất tham gia phản ứng, cũng như hiệu thế của pin.

Một ví dụ về sơ đồ pin điện hóa là:

Zn(s) , Zn2+(aq)   ||   Cu2+(aq) , Cu(s)

Trong đó:

– Zn(s) là điện cực anode, nơi xảy ra bán phản ứng oxy hóa: Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e^-

– Zn2+(aq) là dung dịch của ion kim loại anode

– || là ký hiệu cho cây cầu muối hoặc màng xốp, nơi di chuyển các ion để duy trì sự trung hòa điện tích

– Cu2+(aq) là dung dịch của ion kim loại cathode

3. Các loại pin điện hóa:

Pin điện hóa có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, nhưng một trong những cách phân loại thông dụng nhất là dựa vào khả năng sạc lại của pin. Theo cách này, có hai loại pin điện hóa chính là:

– Pin sơ cấp: là loại pin chỉ có thể sử dụng một lần, sau khi hết năng lượng thì phải vứt đi. Ví dụ như pin carbon kẽm, pin kiềm, pin lithium, pin magiê-đồng, v.v.

– Pin thứ cấp: là loại pin có thể sạc lại nhiều lần, bằng cách đưa vào pin một dòng điện ngược chiều để khôi phục lại các phản ứng hóa học ban đầu. Ví dụ như pin axit-chì, pin nicotin-hydrat, pin lithium-ion, pin lithium-polymer, v.v.

Ngoài ra, pin điện hóa còn có thể được phân loại theo loại chất điện phân mà chúng sử dụng, như:

– Pin ướt: là loại pin sử dụng chất điện phân lỏng, thường là các dung dịch axit hoặc kiềm. Ví dụ như pin Daniell, pin Leclanché, pin axit-chì, v.v.

– Pin khô: là loại pin sử dụng chất điện phân rắn hoặc bán rắn, thường là các hỗn hợp bột hoặc gel. Ví dụ như pin carbon kẽm, pin kiềm, pin lithium-ion, v.v.

Một số loại pin điện hóa phổ biến hiện nay là:

– Pin điện hóa Zinc carbon: là loại pin sơ cấp (dùng một lần) rẻ tiền và phổ biến nhất. Cực dương của pin là than chì (carbon), cực âm là kẽm. Dung dịch chất điện phân là axit manganic (MnO2) và amoniaclorua (NH4Cl). Pin này có thể cung cấp một suất điện động khoảng 1,5 V.

– Pin điện hóa Alkaline (pin kiềm): là loại pin sơ cấp hoặc thứ cấp (nạp lại được) có hiệu suất cao hơn pin zinc carbon. Cực dương của pin là oxit mangan (MnO2), cực âm là kẽm. Dung dịch chất điện phân là xút kali (KOH). Pin này có thể cung cấp một suất điện động khoảng 1,5 V.

– Pin điện hóa Ni-MH (Nickel Metal Hidride): là loại pin thứ cấp có khả năng lưu trữ năng lượng cao và tuổi thọ dài. Cực dương của pin là oxit niken (NiOOH), cực âm là hidrua kim loại (MH). Dung dịch chất điện phân là xút kali (KOH). Pin này có thể cung cấp một suất điện động khoảng 1,2 V.

– Pin điện hóa Lithium-ion (Li-ion): là loại pin thứ cấp có khả năng lưu trữ năng lượng cao nhất và ít bị tự xả. Cực dương của pin là oxit kim loại chuyển tiếp như coban (Co), niken (Ni) hay mangan (Mn), cực âm là cacbon hoặc silic. Dung dịch chất điện phân là muối lithium tan trong dung môi hữu cơ. Pin này có thể cung cấp một suất điện động khoảng 3,6 V.

Mỗi loại pin điện hóa có những ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào mục đích sử dụng và yêu cầu về hiệu suất, tuổi thọ, an toàn và chi phí. Do đó, người dùng cần lựa chọn loại pin phù hợp với thiết bị và nhu cầu của mình.

4. Nguyên tắc hoạt động của pin điện hóa:

Nguyên tắc hoạt động của pin điện hóa dựa trên sự chuyển dịch electron giữa hai kim loại khi chúng tiếp xúc với chất điện phân. Kim loại có khả năng nhường electron cao hơn sẽ bị oxi hóa và tạo ra electron dư, gọi là cực âm. Kim loại có khả năng nhường electron thấp hơn sẽ nhận electron và bị khử, gọi là cực dương. Khi hai cực được nối với một mạch điện bên ngoài, dòng electron sẽ chảy từ cực âm sang cực dương, tạo ra dòng điện. Trong khi đó, trong chất điện phân, các ion sẽ di chuyển để bù đắp cho sự mất mát hoặc nhận thêm electron của các kim loại, duy trì trạng thái trung hòa của dung dịch. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi một trong hai kim loại hoặc chất điện phân bị cạn kiệt hoặc không còn khả năng phản ứng.

5. Ứng dụng thực tế của pin điện hóa:

Pin điện hóa là một thiết bị có khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện, hoặc ngược lại, sử dụng năng lượng điện để thực hiện các phản ứng hóa học. Pin điện hóa có rất nhiều ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày, từ các thiết bị điện tử nhỏ gọn như đồng hồ, điều khiển, máy trợ thính, đến các phương tiện giao thông chạy bằng điện như xe máy điện, ô tô điện, hay các hệ thống lưu trữ năng lượng. Pin điện hóa còn được sử dụng để mạ các kim loại trang trí như vàng hoặc crom.

6. Các dạng bài tập pin điện hóa có lời giải:

Một trong những chủ đề quan trọng trong hóa học 12 là pin điện hóa, nơi xảy ra các phản ứng oxi hóa khử giữa các chất điện li và các kim loại để tạo ra điện năng. Để nắm vững kiến thức về pin điện hóa, cần làm quen với các khái niệm như thế điện cực chuẩn, suất điện động chuẩn, phương trình Nernst và các yếu tố ảnh hưởng đến suất điện động của pin. Sau đây là một số dạng bài tập pin điện hóa thường gặp và cách giải chúng.

Dạng 1: Tính thế điện cực chuẩn và suất điện động chuẩn của pin điện hóa

Đây là dạng bài tập cơ bản nhất, yêu cầu các bạn biết cách viết phương trình phản ứng oxi hóa khử của pin, xác định cực âm và cực dương, và áp dụng công thức:

E0pđh = E0cực dương – E0cực âm

Trong đó E0cực dương và E0cực âm là thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hóa khử tương ứng, có thể tra trong bảng dãy điện hóa kim loại.

Ví dụ: Tính suất điện động chuẩn của pin điện hóa được tạo bởi hai nửa pin Zn/Zn2+ và Cu/Cu2+. Biết E0Zn2+/Zn = -0,76 V; E0Cu2+/Cu = +0,34 V.

Lời giải:

Phương trình phản ứng oxi hóa khử của pin là:

Zn + Cu2+ -> Zn2+ + Cu

Cực âm là Zn/Zn2+, cực dương là Cu/Cu2+.

E0pđh = E0Cu2+/Cu – E0Zn2+/Zn = 0,34 – (-0,76) = 1,1 V

Dạng 2: Tính suất điện động của pin điện hóa khi biết nồng độ các chất điện li

Đây là dạng bài tập nâng cao hơn, yêu cầu các bạn biết cách sử dụng phương trình Nernst để tính suất điện động của pin khi có sự thay đổi về nồng độ các chất điện li. Phương trình Nernst có dạng:

Epđh = E0pđh – (RT/nF)lnQ

Trong đó Epđh là suất điện động của pin; E0pđh là suất điện động chuẩn của pin; R là hằng số khí lý tưởng; T là nhiệt độ tuyệt đối; n là số electron tham gia phản ứng; F là hằng số Faraday; Q là hằng số cân bằng của phản ứng.

Để tính Q, ta sử dụng công thức:

Q = [sản phẩm]/[phản ứng]

Trong đó [sản phẩm] và [phản ứng] là nồng độ mol của các chất sản phẩm và phản ứng tương ứng. Lưu ý rằng ta chỉ tính nồng độ của các chất trong dung dịch, không tính nồng độ của các kim loại rắn.

Ví dụ: Tính suất điện động của pin điện hóa được tạo bởi hai nửa pin Ag/Ag+ và Fe/Fe2+ ở 25oC. Biết nồng độ Ag+ là 0,1 M, nồng độ Fe2+ là 1 M. Biết E0Ag+/Ag = +0,8 V; E0Fe2+/Fe = -0,44 V.

Lời giải:

Phương trình phản ứng oxi hóa khử của pin là:

Ag+ + Fe -> Ag + Fe2+

Cực âm là Fe/Fe2+, cực dương là Ag/Ag+.

E0pđh = E0Ag+/Ag – E0Fe2+/Fe = 0,8 – (-0,44) = 1,24 V

Q = [Ag+][Fe2+]/[Fe][Ag] = (0,1)(1)/(1)(1) = 0,1

Epđh = E0pđh – (RT/nF)lnQ

Trong đó R = 8,314 J/mol.K; T = 25 + 273 = 298 K; n = 1; F = 96485 C/mol.

Epđh = 1,24 – (8,314 x 298)/(1 x 96485)ln0,1

Epđh = 1,24 – 0,05916log0,1

Epđh = 1,24 + 0,05916

Epđh = 1,29916 V

– Cu(s) là điện cực cathode, nơi xảy ra bán phản ứng khử: Cu2+(aq) + 2e^- → Cu(s)

– Hiệu thế của pin này là E°cell = E°cathode – E°anode = 0.34 – (-0.76) = 1.10 V