Thế khử chuẩn cho phản ứng kim loại trong HSC Chemistry
Tìm hiểu cách sử dụng thế khử chuẩn để dự đoán liệu một kim loại có phản ứng trong dung dịch hay không. Bao gồm ví dụ có lời giải, các lỗi thường gặp và câu hỏi nâng cao theo phong cách HSC.
Đặt một dải kẽm vào dung dịch \(\ce{CuSO4(aq)}\) màu xanh lam, đồng có thể bám lên bề mặt kẽm. Đặt đồng vào \(\ce{ZnSO4(aq)}\), phản ứng ngược lại dễ thấy lại không xảy ra. Vẫn là hai nguyên tố đó, nhưng cách bố trí ngược nhau. Điều gì quyết định chiều phản ứng?
Hãy dự đoán trước khi dùng bất kỳ con số nào: trong cốc thứ nhất, loài nào sẽ nhận electron – \(\ce{Zn(s)}\) hay \(\ce{Cu^2+(aq)}\)? Các ion đồng nhận electron. Các nguyên tử kẽm mất electron và đi vào dung dịch dưới dạng \(\mathrm{Zn}^{2+}\), trong khi \(\mathrm{Cu}^{2+}\) nhận các electron đó và trở thành kim loại đồng.
Bảng thế khử chuẩn biến ý tưởng đó thành một phép kiểm tra bằng số.
01Thế khử chuẩn cho bạn biết điều gì
Mỗi bán phương trình trong bảng đều được viết dưới dạng phản ứng khử: electron xuất hiện ở vế trái.
Ví dụ,
\[
\ce{Cu^2+(aq) + 2e- <=> Cu(s)}
\qquad E^\circ = +0.34\ \text{V}
\]
và
\[
\ce{Zn^2+(aq) + 2e- <=> Zn(s)}
\qquad E^\circ = -0.76\ \text{V}
\]
Ký hiệu \(E^\circ\) là thế khử chuẩn, được đo bằng volt, V. Dấu độ nhỏ cho biết giá trị này áp dụng cho các điều kiện trạng thái chuẩn.
Phép so sánh cốt lõi rất đơn giản:
- \(E^\circ\) càng dương thì phản ứng khử được viết trong bảng càng có xu hướng xảy ra mạnh hơn về mặt nhiệt động học
- loài bị khử là chất oxi hoá
- kim loại thuộc một cặp khử có thế đủ âm có xu hướng thực hiện bán phương trình được ghi trong bảng theo chiều ngược lại, vì vậy kim loại bị oxi hoá và đóng vai trò là chất khử
Có thể hình dung bảng này như một ứng dụng hẹn hò hơi vụng về dành cho electron. Các loài ở bên trái đang cạnh tranh để trở thành loài nhận electron. \(E^\circ\) càng dương thì “hồ sơ ứng tuyển” càng mạnh.
Phép so sánh này nhanh chóng mất tác dụng nếu đẩy đi quá xa. Thế khử không phải là một đặc tính cố định bất biến. Nồng độ, nhiệt độ, các phản ứng khả dĩ khác và các rào cản động học đều có thể ảnh hưởng đến những gì thực sự xảy ra trong một cốc phản ứng.
Dưới đây là một số giá trị đặc biệt hữu ích cho HSC. Chúng được chọn từ bảng dữ liệu thế chuẩn được cung cấp trong kỳ thi HSC Chemistry NSW năm 2025. :chatgpt-content-reference{index=”0″}
| Bán phương trình khử | \(E^\circ\) (V) |
|---|---|
| \(\ce{Mg^2+ + 2e- <=> Mg}\) | \(-2.36\) |
| \(\ce{Al^3+ + 3e- <=> Al}\) | \(-1.68\) |
| \(\ce{Zn^2+ + 2e- <=> Zn}\) | \(-0.76\) |
| \(\ce{Fe^2+ + 2e- <=> Fe}\) | \(-0.44\) |
| \(\ce{Pb^2+ + 2e- <=> Pb}\) | \(-0.13\) |
| \(\ce{H+ + e- <=> \frac{1}{2}H2}\) | \(0.00\) |
| \(\ce{Cu^2+ + 2e- <=> Cu}\) | \(+0.34\) |
| \(\ce{Fe^3+ + e- <=> Fe^2+}\) | \(+0.77\) |
| \(\ce{Ag+ + e- <=> Ag}\) | \(+0.80\) |

02Quy tắc quyết định đối với một kim loại trong dung dịch
Giả sử một mẩu kim loại \(\ce{M(s)}\) được đặt vào dung dịch chứa một loài khác có khả năng bị khử.
Bạn đang tìm hai quá trình:
- một chất trong dung dịch nhận electron: sự khử
- kim loại rắn mất electron: sự oxi hoá
Cách ít dễ mắc lỗi nhất khi dùng bảng thế khử là giữ nguyên cả hai giá trị trong bảng và tính
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
E^\circ_{\text{khử}}
–
E^\circ_{\text{kim loại đang bị oxi hoá}}
\]
Ở đây, cả hai số ở vế phải đều là các thế khử được in trong bảng.
Khi đó:
| \(E^\circ_{\text{pin}}\) | Dự đoán trong điều kiện chuẩn |
|---|---|
| dương | phản ứng tự phát về mặt nhiệt động học theo chiều đã viết |
| âm | phản ứng không tự phát về mặt nhiệt động học theo chiều đã viết |
| bằng không | không có động lực nhiệt động học chuẩn thuần theo bất kỳ chiều nào |
Đối với một phản ứng thế kim loại đơn giản,
\[
\ce{M(s) + X^{n+}(aq) -> M^{m+}(aq) + X(s)}
\]
quy tắc tắt là:
Kim loại \(\ce{M}\) có thể khử \(\ce{X^{n+}}\) nếu thế khử của cặp \(\ce{X^{n+}/X}\) dương hơn thế khử của cặp \(\ce{M^{m+}/M}\).
Về cơ bản, đây chính là dãy hoạt động hoá học của kim loại nhưng với các giá trị số được thể hiện rõ.
Nếu việc cân bằng quá trình chuyển electron vẫn chưa vững, hãy ôn lại các bán phương trình oxi hoá-khử trước khi cố ghi nhớ các quy tắc tắt.
Ví dụ có lời giải: Kẽm có phản ứng với ion đồng(II) không?
Một dải kẽm được đặt vào \(\ce{CuSO4(aq)}\). Dùng thế khử chuẩn để dự đoán xem phản ứng có xảy ra hay không, tính \(E^\circ_{\text{pin}}\), và viết phương trình ion rút gọn.
Bước 1
Ion đồng(II) có thể nhận electron:
\[
\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}
\qquad E^\circ = +0.34\ \text{V}
\]
Bước 2
Bảng cho
\[
\ce{Zn^2+ + 2e- <=> Zn}
\qquad E^\circ = -0.76\ \text{V}
\]
nhưng cốc phản ứng của chúng ta chứa \(\ce{Zn(s)}\), nên kẽm phải thực hiện quá trình này theo chiều ngược lại và mất electron.
Bước 3
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
0.34-(-0.76)
=
+1.10\ \text{V}
\]
Vì \(E^\circ_{\text{pin}}\) dương, phản ứng tự phát về mặt nhiệt động học trong điều kiện chuẩn.
Bước 4
\[
\ce{Zn(s) -> Zn^2+(aq) + 2e-}
\]
\[
\ce{Cu^2+(aq) + 2e- -> Cu(s)}
\]
do đó
\[
\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}
\]
Ion sulfate là ion khán nên không xuất hiện trong phương trình ion rút gọn.
Kết quả này có nghĩa là kẽm có thể chuyển electron cho các ion đồng(II). Kẽm hoà tan, trong khi kim loại đồng được tạo thành và bám lại.
Ví dụ có lời giải: Chì có phản ứng với ion sắt(II) không?
Một dải chì được đặt vào \(\ce{Fe(NO3)2(aq)}\). Hãy dự đoán xem chì có đẩy được sắt ra khỏi dung dịch hay không.
Bước 1
Để sắt được tạo thành,
\[
\ce{Fe^2+ + 2e- -> Fe}
\qquad E^\circ = -0.44\ \text{V}
\]
Bước 2
Chì thuộc cặp
\[
\ce{Pb^2+ + 2e- <=> Pb}
\qquad E^\circ = -0.13\ \text{V}
\]
Bước 3
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
-0.44-(-0.13)
=
-0.31\ \text{V}
\]
Bước 4
Phản ứng được đề xuất
\[
\ce{Pb(s) + Fe^2+(aq) -> Pb^2+(aq) + Fe(s)}
\]
có thế pin chuẩn âm, vì vậy không tự phát trong điều kiện chuẩn.
Hãy chú ý cái bẫy: cả hai thế khử đều âm. Chỉ riêng điều đó gần như không cho bạn biết gì. Chính hiệu giữa chúng mới quyết định chiều phản ứng.
Quá trình ngược lại, \(\ce{Fe(s) + Pb^2+(aq)}\), sẽ có
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
-0.13-(-0.44)
=
+0.31\ \text{V}
\]
và do đó được dự đoán là sẽ xảy ra.
03Bốn cái bẫy nên phát hiện trước khi kỳ thi phát hiện chúng thay bạn
Thế khử âm không có nghĩa là “không có phản ứng”
Các giá trị \(E^\circ\) riêng lẻ được đo tương đối so với điện cực hydro chuẩn. Giá trị âm không phải là lệnh cấm phản ứng xảy ra.
Ví dụ, cả \(\ce{Fe^2+/Fe}\) và \(\ce{Zn^2+/Zn}\) đều có thế âm, nhưng ion sắt(II) vẫn có thể oxi hoá kẽm:
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
-0.44-(-0.76)
=
+0.32\ \text{V}
\]
Thế pin dương, vì vậy phản ứng có tính khả thi.
Không nhân \(E^\circ\) khi bạn nhân một bán phương trình
Giả sử bạn nhân
\[
\ce{Ag+ + e- -> Ag}
\]
với 2 để cân bằng electron. Thế khử vẫn là \(+0.80\ \text{V}\), chứ không phải \(+1.60\ \text{V}\).
Thế điện cực không tỉ lệ theo lượng chất. Bạn có thể nhân số nguyên tử, ion và electron khi cân bằng phương trình, nhưng không được nhân thế điện cực.
“Thế khử cao nhất sẽ thắng” là chưa đầy đủ
Thế khử dương hơn xác định chất oxi hoá mạnh hơn trong các điều kiện đã nêu. Điều đó không chứng minh rằng mọi phản ứng khử khả dĩ khác đều không thể xảy ra.
Nếu một kim loại có thể khử hai loài khác nhau và cả hai thế pin tính được đều dương, thì cả hai phản ứng đều có thể xảy ra về mặt nhiệt động học. Chỉ dựa vào thế chuẩn không thể cho bạn biết chính xác tốc độ phản ứng hoặc tỉ lệ các sản phẩm tạo thành.
\(E^\circ_{\text{pin}}\) dương không đảm bảo phản ứng nhìn thấy được sẽ xảy ra nhanh
Thế chuẩn cho bạn biết về tính khả thi nhiệt động học, chứ không phải tốc độ phản ứng.
Nhôm là một ví dụ kinh điển. Thế khử rất âm của nó cho thấy kim loại nhôm đáng lẽ phải là một chất khử mạnh. Tuy nhiên, bề mặt nhôm thông thường được bảo vệ bởi một lớp oxide mỏng, bám chắc. Vì vậy, một phản ứng oxi hoá-khử vốn thuận lợi vẫn có thể diễn ra chậm hoặc có vẻ như không xảy ra cho đến khi rào cản đó bị phá vỡ.
Các dung dịch thực tế cũng có thể khác điều kiện chuẩn. Các giá trị trạng thái chuẩn nói chung áp dụng cho các chất tan ở nồng độ chuẩn, khí ở áp suất chuẩn và chất rắn tinh khiết ở một nhiệt độ xác định. Thay đổi nồng độ có thể làm thay đổi thế pin thực tế.
04Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Một dải magie được đặt vào \(\ce{CuSO4(aq)}\).
Sử dụng
\[
E^\circ(\ce{Cu^2+/Cu})=+0.34\ \text{V}
\]
và
\[
E^\circ(\ce{Mg^2+/Mg})=-2.36\ \text{V},
\]
hãy dự đoán xem phản ứng có xảy ra hay không, tính \(E^\circ_{\text{pin}}\), và viết phương trình ion rút gọn.
Lời giải 1
Phản ứng xảy ra tự phát trong điều kiện chuẩn, với \(E^\circ_{\text{pin}}=+2.70\ \text{V}\).
Ion đồng(II) bị khử:
\[
\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}
\]
và magie bị oxi hoá:
\[
\ce{Mg -> Mg^2+ + 2e-}
\]
Sử dụng các thế khử trong bảng,
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
0.34-(-2.36)
=
+2.70\ \text{V}
\]
Phương trình ion rút gọn là
\[
\ce{Mg(s) + Cu^2+(aq) -> Mg^2+(aq) + Cu(s)}
\]
Do đó, magie hoà tan trong khi đồng được tạo thành.
Một lối tắt dễ hấp dẫn là chỉ nhìn vào \(E^\circ\) âm của magie rồi nói rằng nó “không bền”. Cách đó bỏ qua phép so sánh thực sự cần làm. Dự đoán phải đến từ việc ghép quá trình oxi hoá magie với một quá trình khử khả dĩ rồi kiểm tra xem thế tổng thể có dương hay không.
Câu hỏi 2
Một dải kẽm được đặt vào dung dịch axit chứa cả \(\ce{Cu^2+(aq)}\) và \(\ce{H+(aq)}\).
Sử dụng
\[
E^\circ(\ce{Cu^2+/Cu})=+0.34\ \text{V},
\]
\[
E^\circ(\ce{H+/H2})=0.00\ \text{V},
\]
và
\[
E^\circ(\ce{Zn^2+/Zn})=-0.76\ \text{V}.
\]
Hãy xác định hai phản ứng oxi hoá-khử khác nhau có thể xảy ra về mặt nhiệt động học theo mô hình thế chuẩn, tính \(E^\circ_{\text{pin}}\) cho mỗi phản ứng, và đánh giá phát biểu:
“Đồng(II) có thế khử dương hơn, vì vậy sự tạo thành đồng là phản ứng duy nhất có thể xảy ra.”
Lời giải 2
Cả sự tạo thành đồng lẫn sự tạo thành khí hydro đều có thể xảy ra về mặt nhiệt động học; thế pin chuẩn tương ứng của chúng là \(+1.10\ \text{V}\) và \(+0.76\ \text{V}\). Vì vậy, dựa trên thế chuẩn, không thể biện minh cho phát biểu rằng chỉ có sự tạo thành đồng là có thể xảy ra.
Đối với sự tạo thành đồng, kẽm bị oxi hoá trong khi \(\mathrm{Cu}^{2+}\) bị khử:
\[
\ce{Zn(s) + Cu^2+(aq) -> Zn^2+(aq) + Cu(s)}
\]
Thế pin là
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
0.34-(-0.76)
=
+1.10\ \text{V}
\]
Đối với sự tạo thành hydro, nhân đôi bán phương trình hydro để cân bằng hai electron:
\[
\ce{2H+ + 2e- -> H2(g)}
\]
Thế của nó vẫn là \(0.00\ \text{V}\). Giá trị này không được nhân đôi.
Kết hợp với sự oxi hoá kẽm ta được
\[
\ce{Zn(s) + 2H+(aq) -> Zn^2+(aq) + H2(g)}
\]
và
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
0.00-(-0.76)
=
+0.76\ \text{V}
\]
Cả hai giá trị đều dương.
Phản ứng với đồng có thế pin chuẩn lớn hơn, vì vậy đối với hai phản ứng trao đổi hai electron này, nó có động lực nhiệt động học lớn hơn theo mô hình chuẩn. Nhưng “lớn hơn” không biến giá trị dương còn lại thành giá trị âm.
Một cách suy luận dễ mắc phải là xem bảng thế khử như một bảng xếp hạng mà chỉ người đứng đầu mới được “thắng”. Không phải vậy. Bảng cho bạn biết những cặp phản ứng nào khả thi về mặt nhiệt động học. Tự nó không cho bạn biết rằng chỉ một phản ứng bề mặt khả thi sẽ xảy ra, cũng không dự đoán được tốc độ tương đối của chúng.
Câu hỏi 3
Một dải nhôm có lớp oxide tự nhiên được đặt vào \(\ce{CuSO4(aq)}\). Ban đầu hầu như không thấy thay đổi rõ rệt. Sau đó, nhôm được cào xước khi vẫn nằm dưới dung dịch, và một lớp chất rắn màu đỏ xuất hiện quanh vùng bị xước.
Các thế khử chuẩn liên quan là
\[
E^\circ(\ce{Al^3+/Al})=-1.68\ \text{V}
\]
và
\[
E^\circ(\ce{Cu^2+/Cu})=+0.34\ \text{V}.
\]
Hãy giải thích mâu thuẫn biểu kiến giữa dự đoán từ thế chuẩn và quan sát ban đầu. Viết phương trình ion rút gọn đã cân bằng và tính \(E^\circ_{\text{pin}}\).
Một học sinh còn lập luận rằng thế của nhôm phải được nhân đôi vì phương trình phản ứng đã cân bằng chứa hai nguyên tử nhôm. Hãy đánh giá lập luận đó.
Lời giải 3
Phản ứng giữa nhôm và đồng(II) rất thuận lợi về mặt nhiệt động học, với \(E^\circ_{\text{pin}}=+2.02\ \text{V}\), nhưng lớp nhôm oxide nguyên vẹn có thể cản trở phản ứng về mặt động học. Việc cào xước bề mặt làm lộ kim loại nhôm, cho phép đồng được tạo thành cục bộ. Không được nhân đôi thế của nhôm.
Phản ứng khử là
\[
\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}
\qquad E^\circ=+0.34\ \text{V}
\]
Nhôm trải qua quá trình oxi hoá. Thế khử của nó được ghi là
\[
\ce{Al^3+ + 3e- <=> Al}
\qquad E^\circ=-1.68\ \text{V}
\]
Dùng phương pháp trừ,
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
0.34-(-1.68)
=
+2.02\ \text{V}
\]
Để cân bằng electron,
\[
\ce{2Al -> 2Al^3+ + 6e-}
\]
và
\[
\ce{3Cu^2+ + 6e- -> 3Cu}
\]
cho
\[
\ce{2Al(s) + 3Cu^2+(aq) -> 2Al^3+(aq) + 3Cu(s)}
\]
\(E^\circ_{\text{pin}}\) dương cho biết phản ứng thuận lợi về mặt nhiệt động học trong điều kiện chuẩn. Nó không có nghĩa rằng phản ứng có thể nhanh chóng vượt qua mọi rào cản động học.
Lớp \(\ce{Al2O3}\) trên bề mặt ngăn cách phần lớn kim loại nhôm khỏi dung dịch. Việc cào xước phá vỡ rào cản này tại vùng bị xước, vì vậy sự chuyển electron có thể xảy ra ở đó dễ dàng hơn nhiều.
Lập luận nhân đôi của học sinh nhầm lẫn giữa thế điện cực và lượng chất trong một phương trình hoá học. Nhân
\[
\ce{Al -> Al^3+ + 3e-}
\]
với 2 làm thay đổi số mol tham gia phản ứng, nhưng không làm thay đổi thế. Thế điện cực là một đại lượng cường độ: nó không tăng gấp đôi chỉ vì lượng vật chất được biểu diễn tăng gấp đôi.
Vì vậy, điều kiện chính xác làm thay đổi dự đoán ban đầu không phải là dấu của \(E^\circ_{\text{pin}}\). Đó là liệu bề mặt nhôm tham gia phản ứng có thực sự tiếp xúc được với dung dịch hay không.
Câu hỏi 4
Một dung dịch \(100.0\ \text{mL}\) chứa cả \(0.100\ \text{mol L}^{-1}\) \(\mathrm{Ag}^{+}\) và \(0.100\ \text{mol L}^{-1}\) \(\mathrm{Cu}^{2+}\).
Bạn chỉ có kim loại đồng, kim loại sắt và dụng cụ lọc. Giả sử hệ có hành vi lý tưởng: mỗi phản ứng thế được chọn đều xảy ra hoàn toàn, có thể thêm lượng kim loại được đo chính xác, và có thể bỏ qua các hiệu ứng động học.
Sử dụng
\[
E^\circ(\ce{Ag+/Ag})=+0.80\ \text{V},
\]
\[
E^\circ(\ce{Cu^2+/Cu})=+0.34\ \text{V},
\]
và
\[
E^\circ(\ce{Fe^2+/Fe})=-0.44\ \text{V}
\]
để thiết kế một quy trình hai bước tạo ra đồng rắn mà không có bạc lẫn trong chất rắn cuối cùng.
Tính lượng kim loại, theo mol, cần thêm ở mỗi bước và lượng đồng cuối cùng thu được.
Lời giải 4
Trước tiên dùng chính xác \(0.00500\ \text{mol}\) kim loại đồng để loại toàn bộ \(\mathrm{Ag}^{+}\) dưới dạng bạc, lọc bỏ bạc đó, rồi thêm chính xác \(0.0150\ \text{mol}\) sắt vào dung dịch còn lại. Theo các giả định đã cho, quá trình này tạo ra \(0.0150\ \text{mol}\) đồng mà không có bạc lẫn trong chất rắn cuối cùng.
Ban đầu,
\[
n(\mathrm{Ag}^{+})
=
cV
=
0.100\ \text{mol L}^{-1}\times0.1000\ \text{L}
=
0.0100\ \text{mol}
\]
và
\[
n(\mathrm{Cu}^{2+})
=
0.100\ \text{mol L}^{-1}\times0.1000\ \text{L}
=
0.0100\ \text{mol}
\]
Quyết định chiến lược quan trọng là không thêm sắt trước. Sắt có thể khử cả \(\mathrm{Ag}^{+}\) lẫn \(\mathrm{Cu}^{2+}\), nên làm như vậy có nguy cơ tạo ra chất rắn hỗn hợp bạc-đồng.
Thay vào đó, hãy thêm đồng trước. Ion bạc có thể oxi hoá đồng vì
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
0.80-0.34
=
+0.46\ \text{V}
\]
Phản ứng là
\[
\ce{2Ag+(aq) + Cu(s) -> 2Ag(s) + Cu^2+(aq)}
\]
Hai mol \(\mathrm{Ag}^{+}\) cần một mol Cu, nên \(0.0100\ \text{mol}\) ion bạc cần
\[
n(\ce{Cu})
=
\frac{0.0100}{2}
=
0.00500\ \text{mol}
\]
Theo giả định lý tưởng đã nêu, chính xác \(0.00500\ \text{mol}\) Cu được tiêu thụ và toàn bộ \(0.0100\ \text{mol}\) \(\mathrm{Ag}^{+}\) trở thành kim loại bạc.
Lọc bỏ bạc.
Phản ứng đầu tiên cũng tạo thêm \(0.00500\ \text{mol}\) \(\mathrm{Cu}^{2+}\). Vì vậy, dung dịch lúc này chứa
\[
0.0100+0.00500
=
0.0150\ \text{mol Cu}^{2+}
\]
Bây giờ thêm sắt.
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
0.34-(-0.44)
=
+0.78\ \text{V}
\]
nên
\[
\ce{Fe(s) + Cu^2+(aq) -> Fe^2+(aq) + Cu(s)}
\]
là phản ứng tự phát theo mô hình thế chuẩn.
Tỉ lệ lượng chất là \(1:1\), vì vậy thêm
\[
0.0150\ \text{mol Fe}
\]
để tiêu thụ \(0.0150\ \text{mol}\) \(\mathrm{Cu}^{2+}\).
Quá trình này tạo ra
\[
0.0150\ \text{mol Cu(s)}
\]
Một lựa chọn dễ bị hấp dẫn là dùng sắt ngay từ đầu vì nó có thế khử âm nhất trong các kim loại có sẵn. Sắt chắc chắn có khả năng khử đủ mạnh, nhưng đó chính là vấn đề: nó có thể khử cả ion bạc lẫn ion đồng.
Quá trình tách thành công vì kim loại đầu tiên được chọn có tính chọn lọc đủ cao để loại chất oxi hoá mạnh hơn, \(\mathrm{Ag}^{+}\), trước khi thực hiện phản ứng khử thứ hai.
Trong một quá trình tách thực tế, chỉ riêng thế chuẩn sẽ không đảm bảo phản ứng hoàn toàn định lượng hoặc độ tinh khiết hoàn hảo. Đó là các giả định do câu hỏi cung cấp.
Câu hỏi 5
Một dây đồng được đặt vào dung dịch chứa cả \(\mathrm{Fe}^{3+}\) và \(\mathrm{Fe}^{2+}\).
Một học sinh lập luận:
“Đồng kém hoạt động hơn sắt trong dãy hoạt động hoá học của kim loại, vì vậy đồng không thể phản ứng với các ion sắt.”
Bảng thế chuẩn cho
\[
\ce{Fe^3+ + e- <=> Fe^2+}
\qquad E^\circ=+0.77\ \text{V}
\]
\[
\ce{Fe^2+ + 2e- <=> Fe}
\qquad E^\circ=-0.44\ \text{V}
\]
và
\[
\ce{Cu^2+ + 2e- <=> Cu}
\qquad E^\circ=+0.34\ \text{V}
\]
Hãy xác định xem đồng có phản ứng hay không. Nếu có, hãy viết phương trình ion rút gọn đã cân bằng, tính \(E^\circ_{\text{pin}}\), và cho biết kim loại sắt có được tạo thành hay không.
Sau đó, hãy dự đoán điều gì sẽ xảy ra nếu toàn bộ \(\mathrm{Fe}^{3+}\) bị loại bỏ và dây đồng được đặt vào dung dịch chỉ chứa \(\mathrm{Fe}^{2+}\).
Lời giải 5
Đồng có phản ứng với \(\mathrm{Fe}^{3+}\): đồng bị oxi hoá thành \(\mathrm{Cu}^{2+}\), trong khi \(\mathrm{Fe}^{3+}\) chỉ bị khử thành \(\mathrm{Fe}^{2+}\). Thế pin chuẩn là \(+0.43\ \text{V}\), và không có kim loại sắt được tạo thành.
Điểm quyết định là phải chọn đúng bán phương trình của sắt.
Rất dễ nhìn thấy “ion sắt” rồi lập tức dùng
\[
\ce{Fe^2+ + 2e- -> Fe}
\]
vì đó là bán phương trình xuất hiện trong phép so sánh thế kim loại đơn giản.
Nhưng dung dịch chứa \(\mathrm{Fe}^{3+}\), và loài này có một phản ứng khử khả dĩ khác:
\[
\ce{Fe^3+ + e- -> Fe^2+}
\qquad E^\circ=+0.77\ \text{V}
\]
Đồng có thể cung cấp electron:
\[
\ce{Cu -> Cu^2+ + 2e-}
\]
Nhân đôi bán phương trình của sắt để cân bằng electron:
\[
\ce{2Fe^3+ + 2e- -> 2Fe^2+}
\]
Thế vẫn là \(+0.77\ \text{V}\).
Bây giờ tính
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
0.77-0.34
=
+0.43\ \text{V}
\]
nên phản ứng ion rút gọn là
\[
\ce{2Fe^3+(aq) + Cu(s) -> 2Fe^2+(aq) + Cu^2+(aq)}
\]
Không tạo thành \(\ce{Fe(s)}\). Các ion sắt(III) chỉ nhận đủ electron để trở thành ion sắt(II).
Đây là chỗ mà quy tắc tắt dựa trên dãy hoạt động hoá học đơn giản bắt đầu đạt giới hạn. Phát biểu thông thường rằng đồng không thể “đẩy sắt” nói đến việc cố khử \(\mathrm{Fe}^{2+}\) hoàn toàn thành \(\ce{Fe(s)}\). Đó không phải là phản ứng đang xảy ra ở đây.
Nếu \(\mathrm{Fe}^{3+}\) hoàn toàn không có mặt và chỉ còn \(\mathrm{Fe}^{2+}\), phản ứng thế kim loại có thể xét sẽ là
\[
\ce{Cu(s) + Fe^2+(aq) -> Cu^2+(aq) + Fe(s)}
\]
Thế pin chuẩn của nó là
\[
E^\circ_{\text{pin}}
=
-0.44-(+0.34)
=
-0.78\ \text{V}
\]
vì vậy phản ứng đó không tự phát trong điều kiện chuẩn.
Cái bẫy hợp lý ở đây là cả hai tình huống đều có “ion sắt”, nhưng số oxi hoá là yếu tố quan trọng. Bảng thế khử so sánh các cặp oxi hoá-khử cụ thể, chứ không so sánh tên nguyên tố.
05Điều này cho phép bạn dự đoán gì tiếp theo
Khi bạn có thể chọn đúng các bán phản ứng và so sánh thế khử của chúng, bạn có thể làm nhiều hơn việc chỉ dự đoán xem một kim loại có phản ứng trong dung dịch hay không. Cùng một cách lập luận đó cho bạn biết điện cực nào bị oxi hoá, điện cực nào bị khử, electron chuyển theo chiều nào, và một pin galvanic nên tạo ra điện áp bao nhiêu.
Đó là bước tiếp theo khi sử dụng thế khử của các bán pin galvanic: phản ứng trong cốc và pin điện hoá là cùng một sự cạnh tranh oxi hoá-khử, chỉ được bố trí theo cách khác.