Mục lục bài họcĐang ở d06-b2
Electron transfer: redox and electrochemical cells
Oxidation states
Oxidation is a rise in oxidation state, reduction a fall. The reducing agent is itself oxidised, and vice versa — these two sentences carry most of the marks in this topic.
Balancing half-equations in acid
- balance the atom being oxidised or reduced;
- balance oxygen with $\ce{H2O}$;
- balance hydrogen with $\ce{H+}$;
- balance charge with electrons.
Example: $\ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O}$.
Voltaic cells
At the anode oxidation happens; at the cathode, reduction. In a voltaic cell the anode is negative; in an electrolytic cell it is positive — the electrode names follow the reaction, not the sign.
$$E^\circ_{\text{cell}}=E^\circ_{\text{cathode}}-E^\circ_{\text{anode}}$$A positive $E^\circ_{\text{cell}}$ means the reaction is spontaneous, since $\Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\text{cell}}$.
Electrolysis
$$Q=It,\qquad n(e^-)=\frac{Q}{F},\qquad F=96\,500\ \text{C mol}^{-1}$$Số oxi hoá. Oxi hoá là tăng số oxi hoá, khử là giảm. Hai câu sau đáng thuộc vì đề hỏi đi hỏi lại: chất khử là chất bị oxi hoá, chất oxi hoá là chất bị khử — tên gọi chỉ việc nó làm cho chất kia, không chỉ việc xảy ra với chính nó.
Cân bằng nửa phương trình trong môi trường axit, theo đúng bốn bước và đúng thứ tự này: cân nguyên tố chính; cân oxi bằng $\ce{H2O}$; cân hiđro bằng $\ce{H+}$; cân điện tích bằng electron. Làm sai thứ tự là phải quay lại từ đầu.
$$\ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O}$$Pin điện hoá. Ở anot xảy ra oxi hoá, ở catot xảy ra khử — quy tắc này đúng cho cả pin điện hoá lẫn bình điện phân. Nhưng dấu thì đảo: trong pin điện hoá anot mang dấu âm, còn trong bình điện phân anot mang dấu dương. Nhớ theo phản ứng chứ đừng nhớ theo dấu.
$$E^\circ_{\text{pin}}=E^\circ_{\text{catot}}-E^\circ_{\text{anot}}$$$E^\circ_{\text{pin}}$ dương nghĩa là phản ứng tự diễn ra, vì $\Delta G^\circ=-nFE^\circ_{\text{pin}}$. Chú ý: giá trị $E^\circ$ là đại lượng cường tính — nhân đôi hệ số của nửa phương trình không làm $E^\circ$ đổi, dù nó có làm $\Delta G^\circ$ đổi.
Điện phân. $Q=It$, số mol electron $=\dfrac{Q}{F}$ với $F=96\,500$ C mol$^{-1}$; từ đó suy ra số mol chất qua hệ số của nửa phương trình.
Cân bằng phương trình ion cho phản ứng giữa $\ce{MnO4^-}$ và $\ce{Fe^{2+}}$ trong môi trường axit.
Bước 1 — xác định số oxi hoá đổi thế nào. Mangan đi từ $+7$ trong $\ce{MnO4^-}$ xuống $+2$ trong $\ce{Mn^{2+}}$: nhận $5$ electron. Sắt đi từ $+2$ lên $+3$: nhường $1$ electron.
Bước 2 — viết hai nửa phương trình theo đúng bốn bước.
$$\ce{MnO4^- + 8H+ + 5e^- -> Mn^{2+} + 4H2O}$$$$\ce{Fe^{2+} -> Fe^{3+} + e^-}$$Kiểm nửa phương trình đầu: bốn oxi bên trái cân bằng bởi bốn $\ce{H2O}$ bên phải; tám hiđro bên trái cân bằng bởi bốn $\ce{H2O}$; điện tích bên trái là $-1+8-5=+2$, bên phải là $+2$ — khớp.
Bước 3 — nhân để số electron bằng nhau. Nhân nửa phương trình sắt với $5$:
$$\ce{MnO4^- + 8H+ + 5Fe^{2+} -> Mn^{2+} + 4H2O + 5Fe^{3+}}$$Bước 4 — kiểm điện tích lần cuối. Trái: $-1+8+10=+17$. Phải: $+2+15=+17$. Khớp.
Phép kiểm điện tích ở bước cuối bắt được gần như mọi lỗi cân bằng, và nó chỉ mất mười giây. Bỏ nó là bỏ tấm lưới an toàn duy nhất của dạng bài này.
Điện phân dung dịch $\ce{CuSO4}$ bằng dòng $2.00$ A trong $30.0$ phút. Tính khối lượng đồng bám vào catot. Cho $A_r(\ce{Cu})=63.5$ và $F=96\,500$ C mol$^{-1}$.
Bước 1 — điện lượng, và nhớ đổi phút sang giây.
$$Q=It=2.00\times(30.0\times 60)=2.00\times 1800=3600\ \text{C}$$Bước 2 — số mol electron.
$$n(e^-)=\frac{Q}{F}=\frac{3600}{96\,500}=0.0373\ \text{mol}$$Bước 3 — dùng hệ số của nửa phương trình. Ở catot: $\ce{Cu^{2+} + 2e^- -> Cu}$, nên mỗi mol đồng cần hai mol electron.
$$n(\ce{Cu})=\frac{0.0373}{2}=0.01865\ \text{mol}$$Bước 4 — khối lượng.
$$m=nM=0.01865\times 63.5=1.18\ \text{g}$$Hai chỗ mất điểm của dạng này. Thứ nhất, quên đổi $30.0$ phút sang $1800$ giây — kết quả khi ấy nhỏ hơn sáu mươi lần. Thứ hai, quên chia cho $2$ ở bước ba; con số $2.37$ g thu được trông vẫn hoàn toàn hợp lý nên không tự phát hiện được. Muốn tránh, hãy viết nửa phương trình ra giấy trước khi bấm máy: hệ số electron nằm ngay trong đó.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Reactivity 3 — What Are the Mechanisms of Chemical Change? gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.