Bài học cùng chủ đề
Nguồn điện hóa học SVIP
I. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin Galvani
- Phản ứng oxi hóa – khử luôn kèm theo sự chuyển electron từ chất khử sang chất oxi hóa. Nếu các quá trình oxi hóa, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hóa qua dây dẫn thì năng lượng của phản ứng hóa học sẽ chuyển thành năng lượng điện.
- Pin điện hóa là thiết bị chuyển hóa năng lượng của phản ứng oxi hóa – khử thành dòng điện.
1. Cấu tạo
Pin Galvani thường được tạo nên từ hai kim loại khác nhau nhúng trong hai dung dịch muối tương ứng, hai dung dịch muối được nối với nhau thông qua cầu muối.
Ví dụ: Pin Galvani Zn - Cu được tạo nên từ hai cặp oxi hóa - khử Zn2+/Zn và Cu2+/Cu có cấu tạo như sau:
2. Nguyên tắc hoạt động
- Pin Galvani hoạt động dựa trên phản ứng oxi hóa - khử tự diễn biến, trong đó electron chuyển từ cực âm (kim loại mạnh hơn) sang cực dương (kim loại yếu hơn) thông qua một dây dẫn điện.
- Phản ứng hóa học xảy ra trong pin kèm theo sự giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.
Ví dụ: Ở 25oC, nhúng một thanh Zn vào cốc đựng dung dịch ZnSO4 1M, nhúng một thanh Cu vào cốc đựng dung dịch CuSO4 1M. Nối thanh Zn và thanh Cu bằng dây dẫn, lắp một vôn kế để đo hiệu điện thế. Đóng kín mạch bằng một cầu muối.
+ Tại anode: Zn ⇌ Zn2+ + 2e
+ Tại cathode: Cu2+ + 2e ⇌ Cu
+ Phản ứng hóa học xảy ra trong pin: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
- Vai trò của cầu muối: Cho phép các ion di chuyển qua, do đó đóng kín mạch điện và duy trì tính trung hòa của mỗi dung dịch.
3. Sức điện động của pin điện hóa
Sức điện động của pin đo ở điều kiện chuẩn gọi là sức điện động chuẩn. Sức điện động chuẩn của pin Galvani (\(E^o_{pin}\)) tạo từ hai cặp oxi hóa khử Xm+/X và Yn+/Y (trong đó \(E^o_{X^{m+}/X}< E^o_{Y^{n+}/Y}\)) được tính theo công thức sau:
\(E^o_{pin}=E^o_{Y^{n+}/Y}-E^o_{X^{m+}/X}\)
Ví dụ: Sức điện động chuẩn của pin Zn – Cu:
\(E^o_{pin}=E^o_{Cu^{2+}/Cu}-E^o_{Zn^{2+}/Zn}=0,340-\left(-0,792\right)=1,102\left(V\right)\)
II. Thực hành lắp một số pin đơn giản
- Trên thực tế, có thể tạo ra dòng điện hóa học dựa trên nguyên tắc hoạt động của pin Galvani một cách đơn giản như sau: Pin tạo bởi hai điện cực kim loại khác nhau tiếp xúc với cùng một dung dịch chất điện li.
- Thực hành lắp pin đơn giản:
+ Chuẩn bị: 2 thanh kim loại khác nhau, dung dịch chất điện li (dung dịch HCl, H2SO4 loãng, NaCl,... hoặc quả chanh, quả táo), vôn kế (hoặc đèn led), dây dẫn, cốc thủy tinh.
+ Tiến hành: Cắm hai thanh kim loại vào dung dịch chất điện li. Đo sức điện động giữa hai thanh kim loại bằng vôn kế hoặc nhận biết sự xuất hiện dòng điện bằng đèn led.
+ Chú ý: 2 thanh kim loại không được chạm vào nhau.
Ví dụ: Pin chanh.
III. Giới thiệu một số loại pin thông dụng khác
Hiện nay, có nhiều loại pin đang được sử dụng phổ biến như acquy, pin nhiên liệu, pin Mặt Trời,...
| Pin | Khái quát | Ưu điểm | Nhược điểm |
| Acquy chì |
- Thuộc loại pin thứ cấp (pin sạc), các chất phản ứng được tái tạo trong quá trình sạc bằng dòng điện một chiều. - Được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông, thiết bị điện, phát điện. |
- Dễ sản xuất, giá thành thấp. - Hoạt động ổn định, lâu dài. - Dễ thu hồi sulfuric acid và chì để tái chế. |
- Nặng, tuổi thọ thấp (khoảng 1 năm). - Gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc chì ở các làng nghề tái chế acquy cũ. |
| Pin nhiên liệu | - Pin điện hóa chuyển đổi hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng oxi hóa – khử giữa nhiên liệu (methane, methanol, ethanol, hydrogen,...) và chất oxi hóa (thường là oxygen). |
- Điều chỉnh được cường độ dòng điện nhờ thay đổi tốc độ dòng nhiên liệu. - Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát. |
Giá thành cao. |
| Pin Mặt Trời | Gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn được ghép nối với nhau, có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng. |
- Nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. - Tận dụng được năng lượng vô tận của Mặt Trời. |
- Sản xuất phức tạp, giá thành cao. - Phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết. - Pin Mặt Trời hết hạn có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. |
1. Pin Galvani hoạt động dựa trên phản ứng oxi hóa - khử tự diễn biến, trong đó electron chuyển từ cực âm sang cực dương thông qua một dây dẫn điện.
2. Nguyên tắc hoạt động của pin Galvani: Dòng điện sinh ra từ phản ứng oxi hóa - khử gián tiếp và tự diễn biến.
3. Sức điện động chuẩn của pin Galvani tạo từ hai cặp oxi hóa khử Xm+/X và Yn+/Y (trong đó \(E^o_{X^{m+}/X}< E^o_{Y^{n+}/Y}\)) được tính theo công thức sau:
\(E^o_{pin}=E^o_{Y^{n+}/Y}-E^o_{X^{m+}/X}\)
4. Các nguồn điện khác như acquy, pin nhiên liệu, pin mặt trời,... có những ưu, nhược điểm nhất định.