Giải SGK Hóa 12 Cánh diều Bài 10: Thế điện cực chuẩn của kim loại

Mở đầu: Cho hai kim loại X và Y cùng hai cation tương ứng là Xm+ và Yn+. Xét phản ứng hoá học:

nX(s) + mYn+(aq) → nXm+(aq) + mY(s)

a) Phản ứng hoá học trên thuộc loại phản ứng nào?

b) Có thể dự đoán chiều của phản ứng hoá học trên dựa vào cơ sở nào?

Lời giải:

a) Phản ứng trên thuộc loại phản ứng oxi hóa-khử.

b) Có thể dự đoán chiều của phản ứng hoá học trên dựa vào thế điện cực chuẩn của kim loại.

Nguyên tắc:

Khi biết thế điện cực chuẩn của hai cặp oxi hóa – khử, có thể xác định được chất oxi hóa mạnh hơn và chất khử mạnh hơn, từ đó dự đoán được chiều diễn ra của phản ứng oxi hóa – khử ở điều kiện chuẩn.

I. Cặp oxi hóa – khử của kim loại

Câu hỏi 1: Cho hai phản ứng sau:

Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)             (1)

Cu(s) + 2Ag+(aq) → Cu2+(aq) + 2Ag(s)         (2)

Hãy xác định chất oxi hoá, chất khử trong mỗi phản ứng trên.

Lời giải:

(1) Chất khử: Zn; chất oxi hóa: Cu²⁺

(2) Chất khử: Cu; chất oxi hóa: Ag⁺

Luyện tập 1: Viết các cặp oxi hóa – khử của các kim loại trong hai phản ứng (1) và (2) ở trên.

Lời giải:

Ở phản ứng (1), cặp oxi hóa – khử gồm: Zn2+/Zn và Cu2+/Cu.

Ở phản ứng (2), cặp oxi hóa – khử gồm: Cu2+/Cu và Ag+/Ag.

Luyện tập 2: Hãy viết cặp oxi hóa – khử của các kim loại trong dãy sau:

Lời giải:

- Cặp oxi hóa khử: Mg2+/Mg; Al3+/Al; Zn2+/Zn; Fe2+/Fe; Fe3+/Fe; Fe3+/Fe2+; Sn2+/Sn; Pb2+/Pb; 2H+/H2; Cu2+/Cu; Cu+/Cu; Cu2+/Cu+; Ag+/Ag; Au3+/Au.

II. Thế điện cực chuẩn của kim loại

Câu hỏi 2: So sánh thế điện cực chuẩn của cặp oxi hoá khử Fe2+/Fe và Pb2+/Pb. Từ đó, so sánh tính oxi hoá của Fe2+ và Pb2+, tính khử của Fe và Pb.

Lời giải:

Thế điện cực chuẩn của: ; 

Vì  => Tính oxi hóa của ; tính khử của .

Luyện tập 3: Hãy sắp xếp dãy các ion sau theo chiều tăng dần tính oxi hoá: Na+, Zn2+, Au3+, Ni2+, H+.

Lời giải:

- Chiều tăng dần tính oxi hóa: Na⁺ < Zn²⁺ < Ni²⁺ < H⁺ < Au³⁺.

Câu hỏi 3: Phản ứng nào sau đây có thể xảy ra ở điều kiện chuẩn? Giải thích.

a) Cu(s) + Fe3+(aq) → ?

b) Ag(s) + Sn2+(aq) → ?

Lời giải:

a) $E_{F{e}^{3+}/F{e}^{2+}}^o$ = 0,771V > $E_{C{u}^{2+}/Cu}^o$ = 0,340V nên Fe3+ có tính oxi hóa mạnh hơn Cu2+, Cu có tính khử mạnh hơn Fe2+. Vậy ở điều kiện chuẩn phản ứng dưới đây có thể xảy ra:

Cu(s) + 2Fe3+(aq) → Cu2+(aq) + 2Fe2+(aq)

b) $E_{A{g}^{+}/Ag}^o$= 0,779V > $E_{S{n}^{2+}/Sn}^o$ = -0,138V nên Ag+ có tính oxi hóa mạnh hơn Sn2+, Sn có tính khử mạnh hơn Ag.Vậy ở điều kiện chuẩn phản ứng này không thể diễn ra.

Bài tập

Bài tập 1: Kim loại M tan được trong dung dịch HCl 1 M ở 25°C tạo muối MCln và H2. Hãy so sánh giá trị thể điện cực chuẩn của cặp Mn+/M và 2H+/H2. Giải thích.

Lời giải:

Do phản ứng trên xảy ra chứng tỏ tính oxi hóa của  và tính khử của , vậy nên .

Bài tập 2: Cho các cặp oxi hoá khử sau:

a) Mg2+/Mg và Cu2+/Cu

b) Zn2+/Zn và Fe2+/Fe.

c) Ag+/Ag và Au3+/Au.

Viết các phương trình hóa học của phản ứng theo chiều tự diễn biến từ các cặp oxi hoá – khử tương ứng đã cho.

Lời giải:

a) Mg + Cu²⁺ → Mg²⁺ + Cu

b) Zn + Fe²⁺ → Zn²⁺ + Fe

c) Ag + Au³⁺ → Ag⁺ + Au

Bài tập 3: Thế điện cực chuẩn của cặp M+/M (M là kim loại) bằng –3,040 V. Những phát biểu liên quan đến cặp oxi hoá – khử M+/M nào sau đây là đúng?

(a) M là kim loại có tính khử mạnh.

(b) Ion M+ có tính oxi hoá yếu.

(c) M là kim loại có tính khử yếu.

(d) Ion M+ có tính oxi hoá mạnh.

Lời giải:

Những phát biểu đúng là: (a), (b).

Thế điện cực chuẩn của cặp M+/M (M là kim loại) bằng –3,040 V đây là giá trị tương đối thấp với cặp oxi hóa – khử của kim loại, chứng tỏ tính khử của kim loại M mạnh, tính oxi hóa của ion M+ yếu.

Bài tập 4: Chromium (Cr) thường được sử dụng để mạ lên kim loại do Cr tạo được lớp phủ sáng bóng. Hãy cho biết thiết bị kim loại được mạ Cr có bền trong môi trường là dung dịch Fe(NO3)2 không. Giải thích. Cho biết thế điện cực chuẩn của cặp Cr2+/Cr là -0,910 V.

Lời giải:

Do  (dựa vào Bảng 10.1) nên tính khử của  và tính oxi hóa của . 

Do phản ứng oxi hóa – khử xảy ra nên thiết bị kim loại được mạ Cr thường không bên trong môi trường là dung dịch Fe(NO3)2.