Ogniwa galwaniczne - Ogniwa redox
Aktualności / Darmowe materiały / Materiały do nauki chemii - Wiedza i rozwój

Ogniwa galwaniczne

Ogniwa, zwane także ogniwami galwanicznymi, są podstawowym elementem wielu urządzeń elektronicznych, które wykorzystujemy na co dzień. Od telefonu, przez laptop, po samochody elektryczne – wszystkie te urządzenia zawierają ogniwa, które dostarczają im energii.

W maju 2024, w arkuszu egzaminu maturalnego z chemii, pojawiło się zadanie z ogniw i okazało się ono najbardziej problematyczne spośród wszystkich zadań. Całkowicie poprawnie rozwiązało je jedynie 4% zdających egzamin maturalny z chemii na poziomie rozszerzonym!

Co to są ogniwa galwaniczne?

Ogniwa galwaniczne są to układy, które w trakcie samorzutnych procesów chemicznych, przekształcają energię chemiczną w elektryczną. Ogniwo składa się z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie, czyli substancji przewodzącej prąd. Każda z elektrod ma różne właściwości chemiczne, co powoduje przepływ elektronów między nimi, tworząc prąd elektryczny.

Jak zbudowane jest ogniwo galwaniczne?

Ogniwo galwaniczne zbudowane jest z dwóch półogniw. Na budowę półogniwa składa się elektroda elektrolit. Elektrodą może być metalowa blaszka, jak przedstawiono na schemacie ogniwa poniżej, lub pręt grafitowy (albo platynowy – jest to tak zwana elektroda obojętna, wrócimy do niej za chwilkę). Elektrolitem natomiast może być wodny roztwór jakiejś dobrze rozpuszczalnej soli metalu, z którego zbudowana jest elektroda, ale może nim być również roztwór zawierający rozpuszczone związki atomów jednego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia (w półogniwach redoks) lub też np. roztwór kwasu w półogniwie wodorowym.  Półogniwa łączy się ze sobą kluczem elektrolitycznym. Klucz elektrolityczny to szklana rurka wypełniona solą mocnego kwasu i mocnej zasady (na przykład chlorku sodu lub chlorku potasu). Działanie ogniwa opiera się na różnicy potencjałów między dwoma elektrodami: anodą i katodą. W wyniku reakcji chemicznych na powierzchni tych elektrod, elektrony są „wypychane” z anody do katody przez zewnętrzny obwód, co generuje przepływ prądu.

Schemat ogniwa galwanicznego

Na powyższym rysunku przedstawiono schemat ogniwa Daniella, które jest zbudowane z dwóch półogniw metalicznych.  Są to półogniwa składające się z blaszki metalowej zanurzonej w roztworze dobrze rozpuszczalnej soli tego metalu.

Schemat ogniwa zapisujemy zgodnie z konwencją sztokholmską. Skoro elektrony przemieszczają się od anody do katody, tak również zapisywany jest umownie schemat ogniwa. Dla ogniwa przedstawionego na powyższym rysunku, zapis ten wygląda następująco:

Zn|Zn2+||Cu2+|Cu

Pojedyncza pionowa kreska | oznacza granicę faz, co w uproszczeniu możemy tłumaczyć jako granicę stanów skupienia. Podwójne pionowe kreski || oznaczają klucz elektrolityczny, dzięki któremu półogniwa nie mają ze sobą bezpośredniego kontaktu.

Półogniwa można zaszeregować do następujących grup:

  • półogniwa odwracalne względem kationu
    • półogniwa zbudowane z elektrody metalowej, biorącej udział w reakcji elektrodowej, zanurzonej w roztworze dobrze rozpuszczalnej soli tego metalu, np. półogniwo niklowe: Ni│Ni2+

      Ni2+ + 2e ⇄ Ni
    • Półogniwa gazowe, np. wodorowe: Pt│H2│H+

      2H+ + 2e ⇄ H2
  • półogniwa odwracalne względem anionu
    • półogniwa drugiego rodzaju – elektroda metalowa pokryta warstwą trudno rozpuszczalnej soli tego metalu umieszczona jest w roztworze zawierającym anion tej soli, np.
      • półogniwo chlorosrebrowe: Cl│AgCl, Ag

         AgCl + e ⇄ Ag + Cl
      • półogniwo kalomelowe: Cl│Hg2Cl2, Hg

        Hg2Cl2 + 2e ⇄ 2Hg + 2Cl 

        Oba powyższe półogniwa są z powodzeniem używane jako elektrody odniesienia w pomiarach potencjału innych półogniw.
    • półogniwa gazowe, np. bromowe: Pt│Br2(c), Br

      Br2 + 2e ⇄ 2Br
  • Półogniwa redoks

W tego typu półogniwach niezbędne jest zastosowanie elektrody platynowej, grafitowej lub złotej, która jest zanurzona w roztworze zawierającym rozpuszczone oba związki z pary redoks. Na takiej obojętnej chemicznie elektrodzie następuje tylko wymiana elektronów (materiał elektrody ma bardzo dobre właściwości przewodzące), a substancja, z której zbudowana jest elektroda, nie bierze udziału w reakcji (podobnie jak w przypadku elektrod obojętnych w półogniwach gazowych).

Przykłady: 

Pt│Sn2+, Sn4+,

Sn4+ + 2e ⇄ Sn2+

Pt│MnO4, Mn2+, H3O+

MnO4 + 8H+ + 5e ⇄ Mn2+ + 4H2O

Pt│Cr2O72-, Cr3+, H3O+

Cr2O72- + 14H+ + 6e ⇄ 2Cr3+ + 7H2O

W schematycznym zapisie półogniw, warto zauważyć, że wymienia się środowisko procesu jeśli jest inne niż obojętne.

Warto również wspomnieć o ogniwach stężeniowych. Połączenie dwóch identycznie zbudowanych półogniw nie spowoduje przepływu prądu, ponieważ oba półogniwa mają takie same potencjały standardowe redukcji. Można jednak stworzyć ogniwa stężeniowe, które zbudowane są z aktywnych elektrod z tego samego metalu, ale mogą tworzyć działające ogniwo dzięki różnym stężeniom elektrolitu, w którym zanurzona jest elektroda. Półogniwo zawierające elektrolit o wyższym stężeniu ma wyższy potencjał standardowy redukcji, czyli jest katodą, a to o niższym stężeniu elektrolitu jest anodą.

Jakie reakcje zachodzą w ogniwie galwanicznym?

W ogniwie zachodzą dwa rodzaje reakcji:

Reakcja utleniania (na anodzie) – zachodzi tutaj oddanie elektronów.

Reakcja redukcji (na katodzie) – przyjmowanie elektronów.

Aby określić które półogniwo będzie stanowiło anodę, a które katodę należy skorzystać z wartości potencjałów standardowych w tablicach maturalnych. Półogniwo, którego wartość potencjału będzie niższa, będzie stanowiło anodę tego ogniwa i na nim zachodziła będzie reakcja utleniania.

Niższa wartość potencjału w układzie jest zarezerwowana dla anody i jej znak jest ujemny –
w zapisie A(-). 

Wyższa wartość potencjału w układzie jest zarezerwowana dla katody i jej znak jest dodatni –
w zapisie K(+).

Czyli dla ogniwa zapisanego schematem:

(-) Zn|Zn2+||Cu2+|Cu (+)

Na anodzie zachodzi reakcja utleniania:

Zn  Zn2+ + 2e

Na katodzie natomiast zachodzi reakcja redukcji:

Cu2+ + 2e⟶ Cu

W tym roku na maturze z chemii pojawiło się bardzo ciekawe zadanie dotyczące ogniw galwanicznych Sprawiło tegorocznym maturzystom najwięcej problemów. Zadanie to, całkowicie poprawnie rozwiązało zaledwie 4% (!!!) zdających egzamin maturalny z chemii w maju 2024 .

Było to zadanie 12.1 w arkuszu maturalnym z maja 2024.

Zadanie maturalne z ogniw galwanicznych - zadanie 12
Zadanie maturalne z ogniw galwanicznych - zadanie 12.1 i 12.2

Główne powody błędnych odpowiedzi:

  • Błędny zapis schematu ogniwa.
  • Zbędne dopisywanie granicy faz między jonami występującymi w elektrolicie.
  • Nieuwzględnianie środowiska w półogniwie A (w zapisie elektrolitu).

Jak się zabrać za rozwiązanie takiego zadania?

Przede wszystkim, musimy sprawdzić w tablicach maturalnych potencjały standardowe obu półogniw i je porównać. Półogniwo, o mniejszej wartości potencjału standardowego, pełnić będzie funkcję anody, a jego schemat, zgodnie z konwencją sztokholmską, pojawi się po lewej stronie zapisu

Potencjał standardowy półogniwa A wynosi 1,507 V, natomiast potencjał standardowy półogniwa B wynosi 0,771 V. Skoro potencjał standardowy półogniwa B jest niższy to stanowić ono będzie anodę a zachodząca na nim reakcja będzie reakcją utlenienia.

Zachodzące reakcje w półogniwach:

A(-): Fe2+ ⟶ Fe3+ + e

K(+): MnO4 + 8H+ + 5e ⟶ Mn2+ + 4H2O

Jak zapisać schemat takiego ogniwa?

W przypadku obu tych półogniw mamy do czynienia z elektrodą obojętną. Jest nią platyna i już nawet w tekście zadania jest podane, że nie bierze ona udziału w reakcji, stąd jej nazwa ,,obojętna”. Jony zapisujemy po kolei, w takim kierunku w jakim biegnie reakcja, ale zgodnie z kluczem CKE dopuszczalna jest dowolna kolejność zapisu jonów w elektrolicie. Należy również pamiętać, że pionowa kreska stanowi granicę faz, jeżeli coś znajduje się w tej samej fazie, należy te cząstki czy jony rozdzielić przecinkiem (albo nawet pozostawić bez rozdzielenia znakiem interpunkcyjnym) a nie pionową kreską. 

(-) Pt|Fe2+, Fe3+ ǁ MnO4, H+, Mn2+|Pt (+)

Częstym błędem było również nieuwzględnienie środowiska reakcji, niedopisanie jonów H+ (ewentualnie H3O+). W zależności od środowiska reakcji, anion manganianowy(VII) redukuje się do związków zawierających mangan na różnym stopniu utlenienia.

Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, Czcionka, algebraOpis wygenerowany automatycznie

Dane są dwa półogniwa: A i B. Uzupełnij schemat ogniwa galwanicznego, złożonego z półogniw A i B, które generuje prąd w warunkach standardowych. Oceń, które z półogniw pełni funkcję anody, a które katody oraz zapisz reakcję sumaryczną. W przypadku jednego z tych półogniw w zapisie należy uwzględnić elektrodę obojętną (platynę lub grafit), nie bierze ona udziału w reakcji elektrodowej.

(-) …|…………ǁ…………|… (+)

Równanie reakcji elektrodowej zachodzącej w półogniwie A:

Fe2+ + 2e⇄ Fe

Równanie reakcji elektrodowej zachodzącej w półogniwie B:

SO42- + H2O + 2e ⇄ SO32- + 2OH

Rozwiązanie:

Potencjał standardowy półogniwa A: E0 = -0,447 V

Potencjał standardowy półogniwa B: E0 = -0,93 V

Półogniwo B posiada niższy potencjał standardowy redukcji, będzie ono stanowić anodę, zachodząca na nim reakcja będzie reakcją utleniania. Półogniwo A natomiast stanowić będzie katodę tego ogniwa i zachodzić będzie na nim reakcja redukcji. Elektrodę w półogniwie A stanowić będzie żelazo, natomiast w przypadku półogniwa B należy zastosować elektrodę obojętną, platynową (Pt) lub grafitową (C). 

Zapis schematu ogniwa zgodny z konwencją sztokholmską:

(-) Pt|SO42-, SO32-, OHǁFe2+|Fe (+)

Równanie reakcji sumarycznej:

  SO32- + 2OH+ Fe2+   SO42- + H2O + Fe

Poniżej przedstawiono cztery półogniwa oraz równania reakcji elektrodowych w nich zachodzących:

Półogniwo A: Ag+ + e ⇄ Ag

Półogniwo B: Fe3+ + 3e ⇄ Fe

Półogniwo C: Cu2+ + 2e ⇄ Cu

Półogniwo D: Pt2+ + 2e ⇄ Pt

Uzupełnij poniższy schemat ogniwa galwanicznego, tak aby zapis był zgodny z konwencją sztokholmską, a ogniwo generowało prąd w warunkach standardowych.

(-) …|………ǁSn4+, Sn2+ | Pt (+)

Rozwiązanie:

W przedstawionym schemacie funkcję katody pełni półogniwo, w którym zachodzi reakcja elektrodowa opisana następującym równaniem:

Sn4+ + 2e ⇄ Sn2+ 

Potencjał standardowy tej reakcji wynosi: E0 = 0,151 V

Aby ogniwo generowało prąd w warunkach standardowych, funkcję anody musi pełnić półogniwo, którego potencjał standardowy redukcji jest niższy. 

Półogniwo A: E0 = 0,800 V

Półogniwo B: E0 = -0,037 V

Półogniwo C: E0 = 0,342 V

Półogniwo D: E0 = 1,18 V

Niższy potencjał standardowy redukcji posiada tylko półogniwo B. Poprawny zapis schematu takiego ogniwa galwanicznego wygląda następująco:

(-) Fe|Fe3+ ǁSn4+, Sn2+| Pt (+)

Uzupełnij schemat ogniwa dla poniższego równania reakcji  redoks. Elementem przewodzącym w tym ogniwie jest platyna – nie bierze ona udziału w reakcjach.

2NaMnO4 + 8H2SO4 + 10NaBr ⟶ 2MnSO4 + 5Br2 + 6Na2SO4 + 8H2O

(-) Pt|………ǁ………|Pt (+)

Rozwiązanie:

Na początku należy ustalić co się w trakcie przebiegu tej reakcji redukuje a co utlenia. Utlenia się tutaj anion bromkowy do bromu cząsteczkowego, natomiast atom manganu  ulega redukcji ze stopnia utlenienia VII na II. 

W tablicach maturalnych CKE należy następnie odnaleźć reakcje połówkowe lub można zapisać je samodzielnie.

Na katodzie zachodzić będzie reakcja opisana równaniem:

MnO4 + 8H+ + 5e→Mn2+ + 4H2O

Na anodzie natomiast:

2Br→ Br2(c) + 2e

(-) Pt|Br2, Br ǁ MnO4, H+, Mn2+|Pt (+)

Zapisz zgodnie z konwencją sztokholmską schemat ogniwa zbudowanego z odpowiednich półogniw wybranych z poniższego zestawu (podano równania reakcji zachodzące w półogniwach). Ogniwo, dla którego należy zapisać schemat powinno charakteryzować się największą siłą elektromotoryczną. Jedną z elektrod w tym ogniwie jest platyna, a drugą metal aktywny. Zapisz sumaryczną reakcję zachodzącą w ogniwie.

A: Cr2O72- + 14H+ + 6e ⇄ 2Cr3+ + 7H2O

B: CrO42- + 4H2O + 3e ⇄ Cr(OH)3 + 5OH

C: Ni2+ + 2e ⇄ Ni

D: Li+ + e ⇄ Li

E: Na+ + e ⇄ Na

Rozwiązanie:

Jednym z półogniw musi być półogniwo redoks, czyli A lub B (bo wtedy będzie trzeba zastosować elektrodę platynową), a drugim półogniwem elektroda metaliczna C, D lub E. Porównanie wartości potencjału standardowego redukcji w tablicach maturalnych dla wszystkich półogniw pozwala stwierdzić, że największą wartość siły elektromotorycznej uzyska się  w przypadku skonstruowania ogniwa zbudowanego z półogniw A i D (EA0=1,360 V, EB0=-0,130 V, EC0=-0,257 V, ED0=-3,040 V, EE0=-2,710 V). Anodą będzie zatem półogniwo litowe, a katodą półogniwo dichromianowe.

(-) Li|Li+ǁCr2O72-, H+, Cr3+ |Pt (+)

Równanie reakcji sumarycznej  zachodzącej w ogniwie:

Cr2O72- + 14H+ + 6Li → 2Cr3+ + 7H2O + 6Li+ 

W półogniwie X zawierającym brom lub związki bromu, po połączeniu kluczem elektrolitycznym z półogniwem  Cu2+│Cu zachodzi redukcja. Natomiast po połączeniu z półogniwem Pt, MnO2│ H+, Mn2+ w półogniwie X zachodzi utlenianie. Zapisz schemat ogniwa zbudowanego z półogniw X i rtęciowego oraz równanie jonowe skrócone reakcji sumarycznej  dla takiego ogniwa, wiedząc że suma współczynników stechiometrycznych w tej reakcji jest większa od 5.

Rozwiązanie:

W tablicach maturalnych w tabeli z potencjałami standardowymi redukcji występują 3 półogniwa zawierające brom lub związki bromu:

A: Br2(c) + 2e ⇄ 2Br

E0=1,066 V

B: BrO3 + 6H+ + 6e ⇄ Br + 3H2

E0=1,423 V

C: BrO3 + 3H2O + 6e ⇄ Br + 6OH

E0=0,610 V

Półogniwo X jest katodą w ogniwie z półogniwem miedziowym, i jest anodą w ogniwie z półogniwem zawierającym tlenek manganu(IV). Półogniwem X może być zatem półogniwo A lub C.

Zadanie maturalne z ogniw galwanicznych - rozwiązanie zadania 5

Wiadomo również, że suma współczynników stechiometrycznych w reakcji sumarycznej dla ogniwa zbudowanego z półogniw X i rtęciowego jest większa od 5, zatem półogniwo A nie jest półogniwem X, ponieważ w tym przypadku taka suma wynosi 5 (równanie reakcji poniżej):

Hg + Br2 ⟶ Hg2++ 2Br 

Półogniwem X jest więc półogniwo C. Katodą jest półogniwo rtęciowe, a anodą jest półogniwo zawierające jony bromianowe(V). Schemat ogniwa w konwencji sztokholmskiej:

(-) Pt|BrO3-, Br, OHǁHg2+|Hg (+)

a równanie jonowe skrócone reakcji sumarycznej  to: 3Hg2+ + Br + 6OH →3Hg + BrO3 + 3H2

*Czy podejmiesz się zadania i dobierzesz współczynniki stechiometryczne w zadaniu 4 i 5 metodą bilansu elektronowo-jonowego? ☺