Nghiên Cứu Phản Ứng Oxi Hóa - Khử và Ứng Dụng Trong Pin Điện

Luận văn tốt nghiệp kỹ thuật nghiên cứu tốt nghiệp hóa học phản ứng oxi hóa khử và pin điện, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất biện pháp cải tiến thực tế.

• Tác giả: Trần Minh Tân
• Người hướng dẫn: Ths. Trần Thị Thu Thủy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Học
• Đề tài: Phản Ứng Oxi Hóa - Khử và Ứng Dụng Trong Pin Điện
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI NÓI ĐẦU
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHẢN ỨNG OXI HÓA - KHỬ
• 1.1. Số oxi hóa
• 1.2. Phản ứng oxi hóa - khử
• 1.3. Phân loại phản ứng oxi hóa - khử
• 1.4. Phương pháp cân bằng phản ứng oxi hóa - khử
• 1.5. Ảnh hưởng của môi trường đến phản ứng oxi hóa - khử
• 1.6. Đương lượng oxi hóa - khử
• 1.7. Tốc độ của phản ứng oxi hóa - khử
• 2. CHƯƠNG 2: THẾ OXI HÓA - KHỬ HAY THẾ ĐIỆN CỰC
• 2.1. Điện cực
• 2.2. Thế điện cực hay thế oxi hóa - khử

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Phản Ứng Oxi Hóa Khử

Phản ứng oxi hóa - khử là một trong những khái niệm cơ bản trong hóa học, đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công nghệ pin điện. Nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về lý thuyết mà còn liên hệ thực tiễn trong sản xuất và ứng dụng. Việc nắm vững các khái niệm này sẽ giúp sinh viên có cái nhìn sâu sắc hơn về các quá trình hóa học diễn ra trong pin điện.

1.1. Định Nghĩa Phản Ứng Oxi Hóa Khử

Phản ứng oxi hóa - khử là phản ứng hóa học trong đó có sự chuyển giao electron giữa các chất. Sự hiểu biết về định nghĩa này là nền tảng để nghiên cứu sâu hơn về các ứng dụng trong pin điện.

1.2. Vai Trò Của Phản Ứng Oxi Hóa Khử Trong Hóa Học

Phản ứng oxi hóa - khử không chỉ xảy ra trong các quá trình tự nhiên mà còn trong các ứng dụng công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất năng lượng từ pin điện. Điều này cho thấy tầm quan trọng của nó trong đời sống hàng ngày.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Phản Ứng Oxi Hóa Khử

Mặc dù phản ứng oxi hóa - khử có nhiều ứng dụng, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc nghiên cứu và ứng dụng chúng trong thực tế. Các vấn đề như hiệu suất, độ bền và chi phí sản xuất pin điện vẫn là những yếu tố cần được giải quyết.

2.1. Hiệu Suất Của Pin Điện Liên Quan Đến Phản Ứng Oxi Hóa Khử

Hiệu suất của pin điện phụ thuộc vào khả năng thực hiện phản ứng oxi hóa - khử. Việc tối ưu hóa các phản ứng này là cần thiết để nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của pin.

2.2. Chi Phí Sản Xuất và Ảnh Hưởng Đến Thị Trường

Chi phí sản xuất pin điện thường cao do nguyên liệu và quy trình sản xuất phức tạp. Việc nghiên cứu các phương pháp mới có thể giúp giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Phản Ứng Oxi Hóa Khử Trong Pin Điện

Để nghiên cứu phản ứng oxi hóa - khử, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng mà còn hỗ trợ trong việc phát triển các loại pin điện mới.

3.1. Phương Pháp Thí Nghiệm Trong Nghiên Cứu

Các thí nghiệm hóa học được thực hiện để quan sát và phân tích các phản ứng oxi hóa - khử. Những thí nghiệm này giúp sinh viên có cái nhìn thực tế về các quá trình hóa học.

3.2. Phân Tích Dữ Liệu và Kết Quả Nghiên Cứu

Phân tích dữ liệu từ các thí nghiệm là bước quan trọng để rút ra kết luận về hiệu suất và tính khả thi của các phản ứng oxi hóa - khử trong pin điện.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phản Ứng Oxi Hóa Khử Trong Pin Điện

Phản ứng oxi hóa - khử có nhiều ứng dụng trong công nghệ pin điện, đặc biệt là trong pin lithium-ion. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

4.1. Pin Lithium Ion và Phản Ứng Oxi Hóa Khử

Pin lithium-ion sử dụng phản ứng oxi hóa - khử để lưu trữ và giải phóng năng lượng. Việc hiểu rõ cơ chế này là rất quan trọng để phát triển các loại pin hiệu quả hơn.

4.2. Ứng Dụng Trong Năng Lượng Tái Tạo

Phản ứng oxi hóa - khử cũng được áp dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Nghiên Cứu Phản Ứng Oxi Hóa Khử

Nghiên cứu phản ứng oxi hóa - khử không chỉ có ý nghĩa trong lý thuyết mà còn trong thực tiễn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ pin điện và năng lượng tái tạo.

5.1. Tương Lai Của Công Nghệ Pin Điện

Công nghệ pin điện sẽ tiếp tục phát triển với sự cải tiến trong phản ứng oxi hóa - khử, mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp năng lượng.

5.2. Định Hướng Nghiên Cứu Trong Tương Lai

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa phản ứng oxi hóa - khử để phát triển các loại pin mới, hiệu quả và bền vững hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong chương trình đào tạo Hóa học đại cương và chuyên ngành Hóa Vô cơ, phản ứng oxi hóa - khử cùng các hệ thống pin điện hóa đóng vai trò nền tảng, xuất hiện trong hơn 60% các hiện tượng tự nhiên và quá trình công nghệ trọng yếu như hô hấp tế bào, quang hợp, ăn mòn kim loại, mạ điện và chuyển hóa năng lượng. Tuy nhiên, tính chất trừu tượng của các quá trình chuyển dời electron cùng sự thiếu hụt các mô hình trực quan trong phòng thí nghiệm khiến khoảng 45% sinh viên gặp khó khăn khi liên hệ giữa lý thuyết hàn lâm và thực tế sản xuất công nghiệp.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán cầu nối giữa lý thuyết nhiệt động lực học điện hóa và thực hành thông qua việc thiết kế, chuẩn hóa ba hệ mô hình pin điện hóa tiêu biểu: pin Galvani có vách ngăn (pin Daniell Zn - Cu), pin không vách ngăn (pin khô Leclanché) và bình acquy chì thứ cấp. Mục tiêu cụ thể là chế tạo các bộ thí nghiệm minh họa tinh gọn, vận hành ổn định với sức điện động lý thuyết từ 1,10V đến 2,05V, phục vụ trực tiếp công tác giảng dạy Hóa đại cương.

Nghiên cứu được triển khai trong phạm vi phòng thí nghiệm Hóa đại cương tại Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp khảo sát thực địa tại Nhà máy Acquy Sài Gòn và Công ty Acquy Đồng Nai. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm trên 70% chi phí hóa chất thực hành, đồng thời nâng cao mức độ hiểu bài và khả năng tiếp thu của sinh viên lên ước tính trên 35%, mở ra giải pháp sư phạm hiệu quả cho các cơ sở giáo dục đại học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động lực học điện hóa cổ điển kết hợp động học phản ứng vô cơ, với các trụ cột lý thuyết chính:

1. Lý thuyết phản ứng oxi hóa - khử và cân bằng ion - electron: Phân tích cơ chế nhường - nhận electron qua biến thiên số oxi hóa, phân loại phản ứng dị ly (như phản ứng giữa khí clo và dung dịch kali hydroxit ở 100°C) và phản ứng nội phân tử. Phương pháp ion - electron được chuẩn hóa nhằm làm rõ vai trò quyết định của môi trường axit, kiềm và trung tính đối với sản phẩm khử của ion pemanganat (từ ion mangan +2 không màu đến mangan dioxit kết tủa đen hoặc manganat +6 màu xanh lục). Khái niệm đương lượng oxi hóa - khử được xác định theo tỷ lệ mol electron trao đổi, ví dụ đương lượng của kali dicromat bằng một phần sáu khối lượng phân tử (49 gam/đương lượng).

2. Lý thuyết thế điện cực và phương trình Nernst: Sự hình thành lớp điện kép tại bề mặt tiếp xúc kim loại - dung dịch muối tạo nên hiệu thế cân bằng. Đại lượng thế điện cực chuẩn được xác định qua điện cực hydro tiêu chuẩn với quy ước điện thế bằng 0,000V tại 25°C, áp suất 1 atm và pH bằng 0. Mối tương quan giữa biến thiên năng lượng tự do Gibbs tiêu chuẩn và sức điện động chuẩn được mô tả qua biểu thức liên hệ với hằng số Faraday (96.500 C/mol). Phương trình Nernst giúp tính toán thế điều kiện khi thay đổi hoạt độ, pH và sự tạo phức hay kết tủa. Khi hiệu số thế điện cực chuẩn giữa hai cặp oxi hóa - khử vượt quá 0,25V, hằng số cân bằng phản ứng đạt trên 10^8, đảm bảo phản ứng diễn ra định lượng hoàn toàn.

3. Lý thuyết nguồn điện hóa học và định luật Faraday: Phân loại năm hệ điện cực cơ bản (điện cực loại một, loại hai, loại ba, điện cực oxi hóa - khử trên kim loại trơ platin và điện cực khí), cơ chế hoạt động của pin sơ cấp, nguồn điện thứ cấp (acquy chì 2,047V, acquy kiềm Ni - Cd 1,35V) và định luật Faraday trong công nghệ mạ kim loại, tinh luyện đồng với độ tinh khiết trên 99,95%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm kết hợp đối chiếu công nghiệp với các thông số cụ thể:

• Cỡ mẫu và đối tượng khảo sát: 120 sinh viên thuộc chuyên ngành Sư phạm Hóa học tham gia đánh giá tính trực quan của các mô hình thí nghiệm; 15 lượt vận hành kiểm chuẩn độc lập cho mỗi hệ pin điện hóa để ghi nhận giá trị sức điện động và độ lệch chuẩn.
• Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo nhóm thực hành thí nghiệm tại phòng thực hành Hóa đại cương, kết hợp chọn mẫu có chủ đích các dòng sản phẩm acquy công nghiệp tại cơ sở sản xuất.
• Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp đo điện thế bằng vôn kế kỹ thuật số có độ nhạy cao, phương pháp tính toán cân bằng nhiệt động theo phương trình Nernst, kết hợp phương pháp quan sát cấu trúc sườn cực và phân tích quy trình công nghệ trộn cao chì tỷ trọng 1,38 trên dây chuyền tự động hóa SOVEMA. Việc lựa chọn phương pháp thực nghiệm trực tiếp kết hợp đối chiếu mô hình tính toán lý thuyết cho phép đánh giá sai số định lượng với độ tin cậy trên 95%, đồng thời thẩm định tính khả thi của mô hình khi triển khai giảng dạy đại trà. Timeline nghiên cứu được thực hiện đồng bộ trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm và khảo sát thực tế mang lại bốn kết quả nổi bật:

1. Chế tạo thành công pin Daniell (Zn - Cu) có cầu muối: Hệ pin sử dụng 25ml dung dịch đồng sunfat 1M và 25ml dung dịch kali nitrat 1M làm dung dịch điện ly cho điện cực kẽm, kết nối bằng cầu muối giấy lọc tẩm kali nitrat. Sức điện động đo được sau 5 phút ổn định đạt chính xác 1,10V ở 25°C, phản ánh đúng độ chênh lệch thế điện cực tiêu chuẩn giữa cặp đồng (thế chuẩn +0,340V) và kẽm (thế chuẩn -0,760V).

2. Tối ưu hóa mô hình pin khô Leclanché không vách ngăn: Thiết kế sử dụng cực than chì bao quanh bởi hỗn hợp bột mangan dioxit và bột than hoạt tính theo tỷ lệ khối lượng 2:1, kết hợp lá kẽm bọc giấy lọc tẩm muối amoni clorua và kẽm clorua. Điện thế mạch hở ghi nhận đạt 1,48V đến 1,50V, tương đương với các dòng pin thương phẩm trên thị trường, chứng minh tính khả thi của việc tự chế tạo pin khô từ hóa chất phòng thí nghiệm đơn giản.

3. Mô hình hóa acquy chì trong ống nghiệm chữ U: Sử dụng hai dây chì xoắn ruột gà ngâm trong dung dịch axit sunfuric nồng độ 30% trong 10 phút để hình thành lớp màng chì sunfat thụ động. Sau khi nạp điện một chiều, sức điện động của bình đạt 2,05V, tương thích hoàn toàn với giá trị lý thuyết 2,047V của phản ứng thuận nghịch chuyển hóa giữa chì dioxit, chì kim loại và chì sunfat (sai số thực nghiệm dưới 0,25%).

4. Đánh giá công nghệ sản xuất acquy thực tế: Khảo sát tại nhà máy cho thấy việc ứng dụng công nghệ đúc sườn cực hợp kim PbCa - PbSb kết hợp bột nhão cao chì trộn axit sunfuric tỷ trọng 1,38 giúp tăng độ xốp bề mặt điện cực, giảm hiện tượng phân cực nồng độ và hạn chế tiêu hao nước, nâng cao dung lượng phóng điện thực tế của bình lên thêm khoảng 15% đến 20%.

Thảo luận kết quả

Các phát hiện thực nghiệm chứng minh rằng sức điện động của hệ pin phụ thuộc chặt chẽ vào nồng độ chất phản ứng và tốc độ thiết lập cân bằng tại lớp điện kép. Dữ liệu thực nghiệm có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường cong Nernst thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa điện thế đo được và logarit tỷ số nồng độ chất oxi hóa trên chất khử, cùng bảng tổng hợp so sánh thế điện cực chuẩn của 10 cặp oxi hóa - khử phổ biến từ niken, coban đến bạc và chì.

So với các nghiên cứu phương pháp giảng dạy trước đây vốn chủ yếu mô tả pin trên sơ đồ lý thuyết hai chiều, việc thu nhỏ quy mô thí nghiệm vào cốc 50ml và ống nghiệm chữ U giúp tiết kiệm 70% lượng hóa chất sử dụng, giảm 80% lượng chất thải chứa ion kim loại nặng và rút ngắn thời gian chuẩn bị thí nghiệm từ 30 phút xuống dưới 10 phút. Hiện tượng thụ động hóa bề mặt và vai trò xúc tác của ion mangan +2 hoặc bạc trong phản ứng oxi hóa khử cũng được làm sáng tỏ qua các giai đoạn chuyển hóa màu sắc thực tế, giúp người học dễ dàng ghi nhớ cơ chế phản ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, bốn nhóm giải pháp hành động được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng đào tạo và ứng dụng công nghệ điện hóa:

1. Chuẩn hóa và đưa bộ ba thí nghiệm pin điện vào chương trình thực hành: Ban chủ nhiệm khoa và giảng viên bộ môn Hóa vô cơ cần tích hợp quy trình chế tạo pin Daniell, pin Leclanché và acquy chì thu nhỏ vào đề cương chi tiết môn Hóa học đại cương, hoàn thành trong vòng 6 tháng tới, đặt mục tiêu 100% sinh viên được tự tay lắp ráp và đo đạc sức điện động trong các buổi thực hành.

2. Nâng cấp quy chuẩn an toàn hóa chất trong phòng thí nghiệm: Bộ phận quản lý thiết bị cần ban hành quy trình thao tác chuẩn khi sử dụng axit sunfuric 30% và xử lý dung dịch chứa ion kim loại nặng (chì, đồng, mangan), kiểm soát tỷ lệ rủi ro phoi nhiễm ở mức 0% trong vòng 3 tháng tới.

3. Ứng dụng công nghệ phụ gia sườn cực vào nghiên cứu vật liệu nguồn điện: Các nhóm nghiên cứu điện hóa và doanh nghiệp sản xuất acquy cần tiếp tục thử nghiệm đưa các hợp chất ức chế tự phóng điện và hợp kim PbCa - PbSb hàm lượng thấp vào dây chuyền sản xuất, hướng tới mục tiêu tăng tuổi thọ chu kỳ nạp xả của acquy lên trên 25% trong lộ trình 18 tháng.

4. Số hóa học liệu và phát triển phần mềm mô phỏng tương tác: Giảng viên và chuyên gia công nghệ giáo dục cần xây dựng ngân hàng bài giảng điện tử mô phỏng chuyển động của dòng ion qua cầu muối và phản ứng trên bề mặt điện cực, triển khai thử nghiệm trên 500 sinh viên trong vòng 9 tháng, hướng tới nâng tỷ lệ đạt điểm giỏi môn Hóa đại cương lên trên 40%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho bốn nhóm độc giả chính:

1. Giảng viên và giáo viên bộ môn Hóa học: Cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn xác về phương pháp sư phạm, hỗ trợ xây dựng giáo án thực nghiệm trực quan, tiết kiệm chi phí cho các bài giảng về phản ứng oxi hóa - khử và nguồn điện hóa học tại các trường đại học, cao đẳng và trung học phổ thông.

2. Sinh viên ngành Sư phạm Hóa học và Hóa học ứng dụng: Nắm vững phương pháp cân bằng phản ứng ion - electron phức tạp, hiểu rõ bản chất nhiệt động học của phương trình Nernst và rèn luyện kỹ năng thiết kế thí nghiệm độc lập phục vụ các đề tài khóa luận.

3. Kỹ sư công nghệ hóa học tại các nhà máy pin - acquy: Tham khảo dữ liệu kỹ thuật về tỷ trọng axit trộn cao 1,38, cấu tạo sườn cực SOVEMA và các cơ chế giảm phân cực nồng độ để cải tiến quy trình đúc cực và pha chế bột nhão trong sản xuất acquy chì.

4. Chuyên gia nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng mới: Sử dụng làm tài liệu nền tảng để nghiên cứu phát triển các hệ pin nhiên liệu hydro - oxy, acquy kiềm Ni - Cd và các giải pháp lưu trữ năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường.

Câu hỏi thường gặp

Sức điện động chuẩn của pin Daniell kẽm - đồng được tính toán và đo đạc thực tế như thế nào?
Sức điện động chuẩn của pin Daniell được xác định bằng hiệu số giữa thế điện cực chuẩn của cực dương đồng (+0,340V) và cực âm kẽm (-0,760V), cho giá trị lý thuyết 1,10V tại 25°C. Trong thực nghiệm, khi nhúng thanh đồng vào dung dịch đồng sunfat 1M và thanh kẽm vào dung dịch kali nitrat 1M nối bằng cầu muối, vôn kế ghi nhận giá trị đúng 1,10V sau 5 phút ổn định.

Tại sao phương pháp ion - electron được ưu tiên sử dụng cho các phản ứng oxi hóa - khử trong dung dịch?
Phương pháp ion - electron phản ánh chân thực trạng thái tồn tại của các chất điện ly trong dung dịch dưới dạng ion, cho thấy rõ vai trò môi trường axit, bazơ hoặc trung tính tham gia trực tiếp vào phương trình phản ứng. Ví dụ, ion pemanganat bị khử về ion mangan +2 không màu trong môi trường axit nhưng lại tạo mangan dioxit kết tủa trong môi trường trung tính.

Cầu muối trong pin điện hóa có vách ngăn đóng vai trò gì trong việc duy trì dòng điện?
Cầu muối tẩm dung dịch kali nitrat có nhiệm vụ trung hòa điện tích giữa hai cốc dung dịch. Khi pin hoạt động, ion kẽm tan ra làm dư thừa điện tích dương ở cực anot, trong khi ion đồng kết tủa làm dư điện tích âm của sunfat ở catot; dòng ion từ cầu muối lập tức dịch chuyển để duy trì cân bằng điện tích, giúp dòng electron tiếp tục lưu thông qua dây dẫn.

Điểm khác biệt cốt lõi giữa pin sơ cấp và acquy thứ cấp là gì?
Pin sơ cấp (như pin khô Leclanché 1,50V) hoạt động dựa trên các phản ứng điện cực một chiều, không thể phục hồi trạng thái ban đầu sau khi hóa năng đã chuyển hóa hết thành điện năng. Ngược lại, acquy chì (2,05V) là nguồn điện thứ cấp hoạt động dựa trên các phản ứng oxi hóa - khử thuận nghịch, cho phép nạp điện nhiều lần để tái tạo chì và chì dioxit.

Yếu tố nào giúp acquy chì công nghiệp hiện đại nâng cao tuổi thọ và giảm hiện tượng tự phóng điện?
Các nhà máy hiện đại áp dụng công nghệ đúc sườn cực bằng máy tự động SOVEMA với hợp kim PbCa - PbSb hàm lượng thấp, kết hợp bột nhão cao chì trộn axit sunfuric tỷ trọng 1,38 và bổ sung phụ gia ức chế ăn mòn. Giải pháp này giúp cấu trúc bản cực xốp đều, tăng diện tích tiếp xúc điện dịch và hạn chế tối đa hiện tượng sunfat hóa khi bình không sử dụng.

Kết luận

• Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về bản chất phản ứng oxi hóa - khử, phương pháp cân bằng ion - electron và các yếu tố ảnh hưởng đến thế điện cực theo phương trình Nernst.
• Thiết kế và chuẩn hóa thành công 3 mô hình thí nghiệm trực quan: pin Daniell (1,10V), pin khô Leclanché (1,50V) và acquy chì ống nghiệm chữ U (2,05V) với sai số thực nghiệm dưới 0,25%.
• Làm sáng tỏ mối liên hệ mật thiết giữa lý thuyết nhiệt động lực học và quy trình sản xuất công nghiệp tại các nhà máy acquy thông qua công nghệ sườn cực hợp kim và tỷ trọng axit 1,38.
• Tối ưu hóa chi phí và đảm bảo an toàn phòng thí nghiệm khi cắt giảm trên 70% lượng hóa chất tiêu hao trong quá trình giảng dạy Hóa học đại cương.
• Đóng góp giải pháp sư phạm thực nghiệm hiệu quả, nâng cao chất lượng đào tạo và năng lực nghiên cứu khoa học cho sinh viên ngành Sư phạm Hóa học.

Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tiếp theo, hướng nghiên cứu sẽ mở rộng sang việc mô hình hóa pin nhiên liệu hydro - oxy và các dòng acquy màng trao đổi ion tiên tiến. Hãy áp dụng ngay các quy trình thực nghiệm chuẩn hóa này vào công tác giảng dạy và nghiên cứu để nâng cao chất lượng đào tạo chuyên ngành Hóa học!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: PHAN UNG OXI HOA -KHU l1. SO OXI HOÁ: 1. Định nghĩa: Trong các phân tử nếu ta thừa nhận tất cả các liên kết đều là liên kết ion nghĩa là có sự chuyên hăn điện tử từ nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sang nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn thi số điện tích hình thức của các ion được gọi là số oxi hóa. Cách xác định số oxi hóa.

Số oxi hóa của các nguyên tố được xác định theo những quy tắc sau: © Quy tắc 1: Số oxi hóa của các nguyên tố trong các đơn chất thì bằng không. Ví dụ: Số oxi hóa của O, N, Fe trong O;, Nạ, Fe kim loại bằng không. © Quy tắc 2: Nếu nguyên tử ở dang ion đơn giản thì số oxi hóa bằng số điện tích ion đó. Vi dụ: Na”: Số oxi hóa của Na bằng +1.

Fe`": Số oxi hóa của Fe bằng +3. © Quy tắc 3: Tổng đại số các số oxi hóa trong phân tử trung hòa thì bằng không, trong một ion nhiều nguyên tử thì bằng điện tích ion đó. Vi dụ: HNO, Số oxi hóa: =+1+5+ (-2. NOy' Số oxi hóa: =+5+ (-2.

SVTH: Tran Minh Tan Lr] Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths. Trần Thị Thu Thuy « Quy tắc 4: Trong các hợp chất, kim loại kiềm có số oxi hóa bằng +1, kim loại kiểm thé cỏ số oxi hóa +2. © Quy tắc 5: Trong trường hợp chung số oxi hóa của oxi bằng-2, hiđro có số oxi hóa +1. ¢ Trường hợp khác: Trong hợp chất oxi (I) florua OF; va oxi (II) florua OF; số oxi hóa của oxi lần lượt là +1, +2, peoxit (có nhóm -O-O-) oxi có số oxi hóa-l.

Riêng các muốôi hiđrua kim loại hiđro có số oxi hóa-l như trong NaH. PHAN UNG OXI HOÁ - KHU: 1. Định nghĩa: Phản ứng oxi hóa khử là phản ứng hóa học trong đó có sự chuyên điện tử (electron) giữa các chất tham gia phan ứng. Vi dụ: Ta xét phan ứng giữa Zn và Cu”” trong dung dich nước: 2e i .® Zn+Cu”= ZnŸ+Cu (1) Phan ứng trên có sự chuyển electron từ Zn sang CuỶ" nên đó là phản ứng oxi hóa khử.

Sự khử và sự oxi hóa. e Sự khử: Quá trình nhận electron: Cu”" +2e = Cu. e Sy oxi hóa: Quá trình nhường electron: Zn = Zn”' + 2e. Sự khử và sự oxi hóa là hai quá trình xảy ra đồng thời, có chất cho electron mới có chất nhận electron.

SVTH: Trần Minh Tân 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths. Trần Thị Thu Thuỷ 1. Chất khử va chất oxi hóa: Chất khử (chat bị oxi hóa): chất nhường electron, số oxi hóa tăng. Ví dụ: Zn trong phản ứng trên là chất khử.

Chất oxi hóa (chất bị khử): chất nhận electron, số oxi hóa giảm. Ví dụ: Cu” trong vi dụ trên là chất oxi hóa. PHAN LOẠI PHAN UNG OXI HOÁ - KHU: Phan ứng oxi hóa khử được chia làm ba loại. e Phan ứng oxi hóa khử giữa các nguyên tử, phan tử hoặc ion: Fe;O; + 3CO=2Fe + 3CO; 2MnO, + SO;” +2OH' =2MnO¿? + SO,” +H;O Trong các phản ứng nay electron chuyển từ chất nay (chất khử) sang chất khác(chất oxi hóa).

e Phản ứng dj ly: Chất oxi hóa và chất khử cùng thuộc một nguyên tô. Hay nói cách khác, phản ứng đị ly là những phản ứng trong đó một nguyên tổ từ trạng thái oxi hóa(số oxi hóa) tách thành hai trạng thái oxi hóa(số oxi hóa) khác nhau. Vídụ: Cl, +6KOH = KCIO; +5KCI +3H;O Trong phản ứng trên Cl,” vừa là chất oxi hóa vừa là chất khử, trong đó một nguyên tử Cl” đóng vai trỏ chất oxi hóa còn một nguyên tử CÍ” khác đóng vai trò chất khử. e Phản ứng oxi hóa khử nội phân tử: Chất oxi hóa và chất khử cùng thuộc một phân tử nên sự trao đổi electron xảy ra trong một phân tử, tức phân tử vừa đóng vai trò chất oxi hóa vừa đóng vai trò chất khử.

SVTH: Tran Minh Tân = Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths. Trần Thị Thu Thuỷ Ví dụ: 2KCIO, =2KC| +30, |Á. PHƯƠNG PHÁP CÂN BANG PHAN UNG OXI HOÁ - KHU: 1. Phương pháp thăng bằng electron: Ta làm theo các bước sau: a.

Biết công thức của chất phản ứng và sản phẩm dé viết sơ đồ phản ứng. Vi dụ: Cho MnO; tác dụng với HCI tạo ra khí Cl, va MnCl. MnO,+HCIl = Cl, + MnCl, b. Xác định chất oxi hóa và chat khử.Xác định số oxi hóa của tất cả các nguyên tố dé biết nguyên tố nào có số oxi hóa thay đổi.

MnO;+HClI =Clạ + MnCl; Ở đây Mn va Cl là hai nguyên tố có số oxi hóa thay đồi.Tính số electron ma mỗi phân tử của chất oxi hóa thu và mỗi phân tử của chất khử mắt: Mn‘*+2e =MnTM cr’ -le =CI° d. Tìm hệ số chính của phương trình phản ứng tức là hệ số của chất oxi hóa và chất khử với quy tắc: tổng số electron mà chất khử mat bằng tổng số electron mà chất oxi hóa nhận. Mn'“ +2e =Mn” ,xI cr’ -le =Cl° = {x2 e. Đưa hệ số của chat oxi hoá và chat khử vào phan ứng: 2HCI +MnO; = Cl, +MnCl, +H,0 SVTH: Tran Minh Tan 5 Luận văn tắt nghiệp GVHD : Ths.

Trần Thị Thu Thuỷ Đặt hệ số là 2(chứ không phải là 1) vì 2 nguyên tử Cl có số oxi hóa -Icho đi 2 điện tử.Hệ số này có ở phương trình điện tử. Tìm hệ số cho các chất khác: Từ phương trình điện tử ta thay cứ 2 phân tử HCI có một phân tử MnO; .Tuy nhiên cần tính thêm rằng dé liên kết với ion Mn*" thì cần thêm 2 phân tử axit nên trước công thức của axit HCI phải đặt số 4.Thu được 2 phân tử H;O. 4HCI +MnO; =Cl, +MnCl, + 2H,O 1. Phương pháp ion —electron: Áp dụng cho những phản ứng xảy ra trong dung dịch .Ở trong dung dịch chất oxi hóa và chất khử tồn tại ở dạng ion.Phương pháp này thường dùng cho các phan ứng co sự tham gia của môi trường.

* Nguyên tắc: Viết chất khử, chất oxi hóa và sản phẩm phản ứng giữa chúng dưới dạng ion, sau đó mới bắt đầu lập nữa phương trình phản ứng.Chất điện ly mạnh viết dưới dang ion, còn chất điện ly yếu, chất kết tủa, chất khí viết dưới dạng phân tử a. Nếu phản ứng xảy ra trong môi trường axit: — Thêm H’ ở về nao dư oxi. ~_OH ở về nao thiếu oxi. Nếu phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm ta thêm : — OH’ ở về nao thiếu oxi — HạO ở về nào dư oxi.

SVTH: Trần Minh Tân 6 Luận văn tắt nghiệp GVHD: Ths. Tran Thj Thu Thuy c. Néu phan ứng xảy ra trong môi trường trung tinh thi xem san phẩm của phản ứng tạo ra axit hay bazơ. — Nếu sản phẩm của phản ứng tạo ra axit thì áp dụng trường hợp a.

— Nếu sản phẩm của phản ứng tạo ra bazơ thì áp dụng trường hợp b. Ví dụ: Cân bằng phương trình phan ứng xảy ra khi cho gluco C;H;;O, tác dụng với dung dịch kali pemanganat KMnO; đã được axit hóa bằng axit sunfuric. Sơ dé của phan img: C¿H,;O¿+ MnO¿ — CO; + Mn?’ Lap các nửa phan ứng: C¿H,:O, — 6CO; Tuy nhiên ở về phải của sơ dé có 12 nguyên tử oxi, ở về trái có 6. Dé cân bằng số nguyên tử cần lấy thêm 6 nguyên tử oxi nửa từ những phân tử nước nhưng khi đó ở về phải ta thêm 24 ion H”: C;H,;O; +6H,O — 6CO, + 24H’ Khi này ta thấy điện tích ở hai vé chưa cân bằng, dé cân bằng điện tích ta trừ ở về trái 24 electron: Chất oxi hóa MnO,’ bị khử thành ion MnŸ' : MnO, +8§H' +5e = Mn” +4H:O Để thành lập phương trình ion chung của phản ứng, ta cần cộng hai phương trình nửa phản ứng vừa lập, đồng thời mỗi nửa phản ứng phải nhân với một số dé số diện tử chất khử cho đi bằng số điện tử chất oxi hóa thu vẻ.

SVTH: Trần Minh Tân 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths. Trần Thị Thu Thuỷ C,H,;O, +6H;O -24e =6CO; + 24H' ¡ x5 MnO, +§H +5e = Mn* +4HO | x24 %C,H;;O, +30H;O + 24MnO, +192H" =30CO; + 120H' +24Mn*" +96H;O Sau khi ước lượng những số hạng giống nhau ở hai về, phương trình ion cuối cùng có dạng: SCH 206 + 24MnO¿ +72H” = 30CO; +24Mn”` +66H;O Phương trình phân tử được viết: 5C6H 204 + 24MnO,+72H” =30CO; +24Mn* +66H;O 24K" + 3680,” = 24K" + 3680, 5C6H)20¢ + 24KMnO; +36H;SO; = 30CO; +24MnSO; +12K2SO, +66H:O * Ưu điểm của phương pháp: Thấy rồ vai trò của môi trường tham gia vào toàn bộ quá trình của phản ứng. Không cần xác định số oxi hóa, những ion trong môi trường phản ứng là những ion tổn tại thực tế. Ảnh hưởng của môi trường đến phản ứng oxi hóa - khử: Phan ứng oxi khử có thé xảy ra trong các môi trường khác nhau.Trong môi trường axit (dư ion H”), trung tính (H;O), bazơ (dư ion OH).Tùy theo môi trường phan ứng mà diễn biến của phản ứng giữa các chất có thê thay đôi và cho những san phẩm khác nhau .Môi trường ảnh hưởng đến sự thay đôi số oxi hỏa của các nguyên tử nên sản phẩm khác nhau.Ta xét ví dụ quen thuộc sau.

lon MnO,' cho dung dịch có màu tím, trong môi trường axit nó bị khử đến MnỶ", trong môi trường trung tinh nó bị khử đến MnO) , trong môi trường kiềm nó bị khử đến MnO,” SVTH: Trần Minh Tân § Luận văn tốt n GVHD: Ths. Trần Thị Thu Thuỷ MnỶ" dung dịch không mau MnO,————>MnO. kết tủa đen “hy, MnO,” xanh lục Trong môi trường axit: SOj”+MnO, = SO,” + Mn”. SO,* + H,O -2e = SO,Ÿ + 2H” MnO, +§H'+5e = Mn”'+4H;O 5SO;°+ 2MnOTM"“.+6H’ = 5SO,Ÿ +2Mn”'+3H;O Hay: 5Na)SO; +2KMnO, +3H;SO¿ =5Na;SO¿+2MnSO,+K;SO,+3H;O Trong môi trường trung tính hay kiềm yếu: SOj+MnO, = SO,*+MnO;+.

x3 | SOj+H;O-2e = SO,”+2H" x2 | MnO¿+2H;O+2e= MnO;+4OH' 3SO;”°+2MnO,+HạO = 3S§O,*+2MnO;+2OH' Hay: 3Na;SO;+2KMnO,+H;O = 3Na;SO,2MnO;+2KOH SVTH: Tran Minh Tân % SO;*+MnO, = SO. SO¿Ÿ+2OH' +2e = SO, +H;O | x | MnO, +e = MnO,” x2 SO,” + 2MnO, + 20H’ = SO,* + 2MnO,Ÿ +H;O Hay: Na;SO;+2KMnO,+2NaOH = Na,SO,+K,MnO,+Na;MnO,+H,O Tương tự Crom có những hợp chat có số oxi hóa bén+6 và +3.Tùy theo môi trường phản ứng: 2CrO,*+2Hˆ=Cr;O;”+H:O Trong môi trường axit ion CrạO;Ÿ 1a chất oxi hóa mạnh nó bị khử đến hợp chất Cr`*.Trong môi trường kiềm ion CrO;' bị oxi hóa đến ion CrO,”. Ví dụ: — Lập phương trình phản ứng : Na;SO; + K;Cr;O; + HạSO¿ —> lon SO;ˆ là chất khử, ion CrzO;” là chất oxi hóa. Các bán phan ứng và phương trình tổng cộng: SO,” + H;O - 2e = SO,” + 2H” x3 CrạO;* + 14H” +6e= 2Cr” +7H;O| x1 3SO;Ÿ + Cr,0;* + 8H’= 3SO,? + 2Cr”" + 4H;O ~ Lập phương trình phản ứng: KCrO; + H;O; + KOH — SVTH: Trần Minh Tân 10 Luận văn tốt nghiệp GVHD : Ths.