Câu 20THPTChuyên đề: Pin điện hóa • Lớp 12Phương pháp học tập và nghiên cứu Hóa họcVận dụng#secondary:CHEM10.L3.INTRO.METHOD#curriculum:undetermined
Pin kẽm-mangan (Zn-MnO) là loại pin phổ biến trong các thiết bị điện tử do giá thành thấp và an toàn. Tuy nhiên, loại pin này thường có tuổi thọ ngắn do phản ứng phụ làm giảm hiệu suất hoạt động. Một nhóm học sinh nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ KOH đến hiệu suất và tuổi thọ của pin Zn-MnO. Thí nghiệm được tiến hành như sau:
• Bước 1: Pha các dung dịch KOH với nồng độ 2M, 6M, 10M.
• Bước 2: Lắp ráp pin Zn-MnO
- Điện cực cực âm (anode): Dùng tấm kẽm (Zn).
- Điện cực cực dương (cathode): Dùng MnO trộn với than hoạt tính và chất kết dính để tạo thành điện cực.
- Nhúng điện cực vào dung dịch KOH tương ứng.
• Bước 3:
- Đo hiệu suất ban đầu, ghi nhận các giá trị vào bảng số liệu.
- Sử dụng máy đo dung lượng pin để tiến hành sạc-xả 50 chu kỳ. Ghi lại dung lượng sau mỗi 10 chu kỳ.
- So sánh dung lượng ban đầu và dung lượng sau 50 chu kỳ.
- Xác định hiệu suất Coulombic (%) của từng mẫu.
- Kiểm tra sự suy giảm hiệu suất do ăn mòn kẽm hoặc hòa tan MnO₂.
Nồng độ KOH (M) Dung lượng ban đầu (mAh/g) Dung lượng sau 50 chu kỳ (mAh/g) Hiệu suất Coulombic (%) 2M 180 120 85% 6M 210 170 92% 10M 190 100 80%
Pin kẽm-mangan (Zn-MnO) là loại pin phổ biến trong các thiết bị điện tử do giá thành thấp và an toàn. Tuy nhiên, loại pin này thường có tuổi thọ ngắn do phản ứng phụ làm giảm hiệu suất hoạt động. Một nhóm học sinh nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ KOH đến hiệu suất và tuổi thọ của pin Zn-MnO. Thí nghiệm được tiến hành như sau:
• Bước 1: Pha các dung dịch KOH với nồng độ 2M, 6M, 10M.
• Bước 2: Lắp ráp pin Zn-MnO
- Điện cực cực âm (anode): Dùng tấm kẽm (Zn).
- Điện cực cực dương (cathode): Dùng MnO trộn với than hoạt tính và chất kết dính để tạo thành điện cực.
- Nhúng điện cực vào dung dịch KOH tương ứng.
• Bước 3:
- Đo hiệu suất ban đầu, ghi nhận các giá trị vào bảng số liệu.
- Sử dụng máy đo dung lượng pin để tiến hành sạc-xả 50 chu kỳ. Ghi lại dung lượng sau mỗi 10 chu kỳ.
- So sánh dung lượng ban đầu và dung lượng sau 50 chu kỳ.
- Xác định hiệu suất Coulombic (%) của từng mẫu.
- Kiểm tra sự suy giảm hiệu suất do ăn mòn kẽm hoặc hòa tan MnO₂.
• Bước 1: Pha các dung dịch KOH với nồng độ 2M, 6M, 10M.
• Bước 2: Lắp ráp pin Zn-MnO
- Điện cực cực âm (anode): Dùng tấm kẽm (Zn).
- Điện cực cực dương (cathode): Dùng MnO trộn với than hoạt tính và chất kết dính để tạo thành điện cực.
- Nhúng điện cực vào dung dịch KOH tương ứng.
• Bước 3:
- Đo hiệu suất ban đầu, ghi nhận các giá trị vào bảng số liệu.
- Sử dụng máy đo dung lượng pin để tiến hành sạc-xả 50 chu kỳ. Ghi lại dung lượng sau mỗi 10 chu kỳ.
- So sánh dung lượng ban đầu và dung lượng sau 50 chu kỳ.
- Xác định hiệu suất Coulombic (%) của từng mẫu.
- Kiểm tra sự suy giảm hiệu suất do ăn mòn kẽm hoặc hòa tan MnO₂.
| Nồng độ KOH (M) | Dung lượng ban đầu (mAh/g) | Dung lượng sau 50 chu kỳ (mAh/g) | Hiệu suất Coulombic (%) |
|---|---|---|---|
| 2M | 180 | 120 | 85% |
| 6M | 210 | 170 | 92% |
| 10M | 190 | 100 | 80% |
Các mệnh đề Đúng / Sai:
a)
Giả thuyết phù hợp với mục đích và quá trình tiến hành thí nghiệm trên là “Nếu sử dụng chất điện ly kiềm (KOH) có nồng độ tối ưu, thì hiệu suất và tuổi thọ của pin Zn-MnO₂ sẽ được cải thiện”.
b)
Pin với KOH 6M có hiệu suất cao nhất, dung lượng duy trì tốt sau 50 chu kỳ.
c)
Cực âm xảy ra quá trình khử kẽm và cực dương xảy ra quá trình oxi hóa MnO₂.
d)
Phản ứng phụ (ăn mòn kẽm khi nồng độ KOH quá cao):
Đáp án chính thức: a:Đ,b:Đ,c:S,d:Đ
Hướng dẫn giải chi tiết
a) Đúng, trong 3 nồng độ KOH ở trên thì nồng độ 6M là tối ưu nhất, thể hiện qua 2 thông số là dung lượng ban đầu lớn và dung lượng bị hao hụt sau 50 lần sạc – xả nhỏ, hiệu suất Coulombic cao.
Hiệu suất Coulombic = Tổng lượng điện tích do pin sản sinh khi xả / Tổng lượng điện tích đưa vào pin khi sạc (trong cùng 1 chu kỳ sạc – xả).
b) Đúng, pin với KOH 6M có hiệu suất cao nhất (92%), dung lượng duy trì tốt sau 50 chu kỳ (giảm 40 mAh, so với mức giảm 60 và 90 mAh ở nồng độ 2M và 10M).
c) Sai, cực âm xảy ra quá trình oxi hóa Zn và cực dương xảy ra quá trình khử MnO₂ (Mn⁴⁺).
Anode: Zn + 2OH⁻ → Zn(OH)₂ + 2e
Cathode: MnO₂ + H₂O + e → MnO(OH) + OH⁻
d) Đúng
a) Đúng, trong 3 nồng độ KOH ở trên thì nồng độ 6M là tối ưu nhất, thể hiện qua 2 thông số là dung lượng ban đầu lớn và dung lượng bị hao hụt sau 50 lần sạc – xả nhỏ, hiệu suất Coulombic cao.
Hiệu suất Coulombic = Tổng lượng điện tích do pin sản sinh khi xả / Tổng lượng điện tích đưa vào pin khi sạc (trong cùng 1 chu kỳ sạc – xả).
b) Đúng, pin với KOH 6M có hiệu suất cao nhất (92%), dung lượng duy trì tốt sau 50 chu kỳ (giảm 40 mAh, so với mức giảm 60 và 90 mAh ở nồng độ 2M và 10M).
c) Sai, cực âm xảy ra quá trình oxi hóa Zn và cực dương xảy ra quá trình khử MnO₂ (Mn⁴⁺).
Anode: Zn + 2OH⁻ → Zn(OH)₂ + 2e
Cathode: MnO₂ + H₂O + e → MnO(OH) + OH⁻
d) Đúng
Hiệu suất Coulombic = Tổng lượng điện tích do pin sản sinh khi xả / Tổng lượng điện tích đưa vào pin khi sạc (trong cùng 1 chu kỳ sạc – xả).
b) Đúng, pin với KOH 6M có hiệu suất cao nhất (92%), dung lượng duy trì tốt sau 50 chu kỳ (giảm 40 mAh, so với mức giảm 60 và 90 mAh ở nồng độ 2M và 10M).
c) Sai, cực âm xảy ra quá trình oxi hóa Zn và cực dương xảy ra quá trình khử MnO₂ (Mn⁴⁺).
Anode: Zn + 2OH⁻ → Zn(OH)₂ + 2e
Cathode: MnO₂ + H₂O + e → MnO(OH) + OH⁻
d) Đúng
a) Đúng, trong 3 nồng độ KOH ở trên thì nồng độ 6M là tối ưu nhất, thể hiện qua 2 thông số là dung lượng ban đầu lớn và dung lượng bị hao hụt sau 50 lần sạc – xả nhỏ, hiệu suất Coulombic cao.
Hiệu suất Coulombic = Tổng lượng điện tích do pin sản sinh khi xả / Tổng lượng điện tích đưa vào pin khi sạc (trong cùng 1 chu kỳ sạc – xả).
b) Đúng, pin với KOH 6M có hiệu suất cao nhất (92%), dung lượng duy trì tốt sau 50 chu kỳ (giảm 40 mAh, so với mức giảm 60 và 90 mAh ở nồng độ 2M và 10M).
c) Sai, cực âm xảy ra quá trình oxi hóa Zn và cực dương xảy ra quá trình khử MnO₂ (Mn⁴⁺).
Anode: Zn + 2OH⁻ → Zn(OH)₂ + 2e
Cathode: MnO₂ + H₂O + e → MnO(OH) + OH⁻
d) Đúng
