Mục lục bài họcĐang ở d06-b1
Oxidation numbers, half-equations and electrolysis
Oxidation numbers
Oxidation is a rise in oxidation number, reduction a fall. The oxidising agent is the species that is itself reduced; the reducing agent is the one that is itself oxidised. Rules: elements are $0$; oxygen is $-2$ (except in peroxides, $-1$, and in $\ce{OF2}$, $+2$); hydrogen is $+1$ (except in metal hydrides, $-1$); the sum equals the charge on the species.
Balancing half-equations in acid
- balance the element changing oxidation number;
- balance oxygen with $\ce{H2O}$;
- balance hydrogen with $\ce{H+}$;
- balance charge with electrons.
Then multiply the two half-equations so the electrons cancel, and check the total charge on each side — this single check catches almost every balancing error.
Electrolysis
At the cathode reduction happens; at the anode, oxidation. This is true in every cell. Only the sign changes: the anode is positive in an electrolytic cell but negative in a voltaic cell.
$$Q=It,\qquad n(e^-)=\frac{Q}{F},\qquad F=96\,500\ \text{C mol}^{-1}$$The amount of product then follows from the coefficient of electrons in the electrode half-equation. In aqueous solution, water competes: hydrogen is released instead of a reactive metal, and oxygen instead of a less readily oxidised anion.
Số oxi hoá. Oxi hoá là tăng số oxi hoá, khử là giảm. Chất oxi hoá là chất bị khử; chất khử là chất bị oxi hoá — tên gọi chỉ việc nó làm cho chất kia, không chỉ việc xảy ra với chính nó, và đây là chỗ nhầm nhiều nhất khi trả lời nhanh. Quy tắc: đơn chất bằng $0$; oxi là $-2$ (trừ peoxit $-1$ và $\ce{OF2}$ là $+2$); hiđro là $+1$ (trừ hiđrua kim loại $-1$); tổng số oxi hoá bằng điện tích của tiểu phân.
Cân nửa phương trình trong môi trường axit, đúng bốn bước và đúng thứ tự: cân nguyên tố đổi số oxi hoá; cân oxi bằng $\ce{H2O}$; cân hiđro bằng $\ce{H+}$; cân điện tích bằng electron. Sau đó nhân hai nửa phương trình để electron triệt tiêu, rồi kiểm tổng điện tích hai vế — phép kiểm mười giây này bắt được gần như mọi lỗi cân bằng.
Điện phân. Ở catot xảy ra khử, ở anot xảy ra oxi hoá; điều này đúng cho mọi loại pin và bình điện phân. Chỉ có dấu đổi: anot mang dấu dương trong bình điện phân nhưng mang dấu âm trong pin điện hoá. Hãy nhớ theo phản ứng, đừng nhớ theo dấu.
$$Q=It,\qquad n(e^-)=\frac{Q}{F},\qquad F=96\,500\ \text{C mol}^{-1}$$Từ số mol electron, lượng sản phẩm suy ra qua hệ số electron trong nửa phương trình tại điện cực đó. Trong dung dịch nước, nước cạnh tranh với ion: catot giải phóng hiđro thay vì kim loại hoạt động, và anot giải phóng oxi thay vì anion khó bị oxi hoá.
Điện phân dung dịch $\ce{CuSO4}$ bằng điện cực platin, dòng $1.50$ A trong $45.0$ phút. Tính khối lượng đồng bám ở catot và thể tích khí thoát ra ở anot đo ở điều kiện phòng. Cho $A_r(\ce{Cu})=63.5$, $F=96\,500$ C mol$^{-1}$, thể tích mol khí $=24.0$ dm³ mol$^{-1}$.
Bước 1 — điện lượng, và nhớ đổi phút sang giây.
$$Q=It=1{,}50\times(45{,}0\times 60)=1{,}50\times 2700=4050\ \text{C}$$Bước 2 — số mol electron. Đại lượng này dùng chung cho cả hai điện cực, vì cùng một dòng điện chạy qua mạch nối tiếp.
$$n(e^-)=\frac{Q}{F}=\frac{4050}{96\,500}=0{,}04197\ \text{mol}$$Bước 3 — catot. Nửa phương trình là $\ce{Cu^{2+} + 2e^- -> Cu}$, nên mỗi mol đồng cần hai mol electron.
$$n(\ce{Cu})=\frac{0{,}04197}{2}=0{,}02099\ \text{mol}\;\Longrightarrow\; m=0{,}02099\times 63{,}5=1{,}33\ \text{g}$$Bước 4 — anot. Điện cực platin trơ và ion sunfat không bị oxi hoá, nên nước bị oxi hoá: $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e^-}$, mỗi mol oxi cần bốn mol electron.
$$n(\ce{O2})=\frac{0{,}04197}{4}=0{,}01049\ \text{mol}\;\Longrightarrow\; V=0{,}01049\times 24{,}0=0{,}252\ \text{dm}^3=252\ \text{cm}^3$$Ba chỗ mất điểm, theo thứ tự hay gặp. Quên đổi $45{,}0$ phút sang $2700$ giây — kết quả nhỏ hơn sáu mươi lần. Quên chia cho $2$ ở catot — cho $2{,}66$ g, một con số trông vẫn hợp lý nên không tự lộ. Dùng hệ số $2$ thay vì $4$ ở anot, vì nhớ nhầm sang nửa phương trình của hiđro.
Cách tự kiểm: tỉ số mol đồng trên mol oxi phải đúng bằng $\dfrac{4}{2}=2$. Ở đây $0{,}02099/0{,}01049=2{,}00$ — khớp.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Electrochemistry gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.