Rl0e8mDOksmLb1

Zdjęcie przedstawia portret mężczyzny. Mężczyzna ma na głowie białą, długą perukę. Pod szyją ma zawiązaną białą tkaninę jako element dekoracyjny białej koszuli, na którą ma narzucony czarny płaszcz. Z rękawów wystają białe mankiety koszuli. W dłoniach trzyma kawałek szklanej płytki, na której są żabie udka.

W $1786$ roku włoski naukowiec Luigi Galvani zaobserwował pewne zjawisko. Po przyłożeniu do żabiego udka dwóch różnych połączonych ze sobą metali zauważył kurczenie się mięśni. Przypuszczał on, że zjawisko to jest spowodowane istnieniem tzw. elektryczności zwierzęcej. Wynikało to z tego, iż w tym czasie znane były już gatunki ryb wytwarzające ładunek elektryczny. Przeszło dekadę później wynikami Galvaniego zainteresował się inny włoski uczony – Alessandro Volta. Słusznie wyjaśnił on zaobserwowane zjawisko. Skurcz mięśni był wynikiem podrażnienia nerwu prądem elektrycznym przepływającym między metalami. Przeprowadził on eksperyment: w wodzie morskiej (będącej niejako roztworem chlorku sodu) zanurzył dwa połączone ze sobą różne kawałki metalu. Zauważył on przepływ prądu. Odkrycia tej dwójki uczonych uznawane są za początki elektrochemii.

Ogniwo galwaniczne jest to układ wytwarzający energię elektryczną w wyniku przebiegającej w nim reakcji chemicznej. W praktyce jest to układ dwóch połączonych ze sobą półogniwpółogniwopółogniw – czyli płytek metalu zanurzonych w roztworze. Metal bardziej aktywny (czyli taki, który jest powyżej wodoru w szeregu aktywności metaliszereg aktywności metaliszeregu aktywności metali) pełni funkcję anodyanodaanody (roztwarza się w roztworze) oraz ma znak ujemny. Na tej elektrodzie zachodzi proces utleniania. Mniej aktywny metal natomiast pełni funkcję katodykatoda katody (jony tego metalu redukują się na płytce), a elektroda ma znak dodatni. Na katodzie zachodzi proces redukcji.

Omówmy teraz budowę ogniwa na przykładzie ogniwa Daniella.

W ogniwie Daniella płytka cynkowa zanurzona jest w roztworze siarczanu($\text{VI}$) cynku, a płytka miedziana w roztworze siarczanu($\text{VI}$) miedzi($\text{II}$). Roztwory te połączone są ze sobą nasyconym roztworem elektrolitu umieszczonym w rurce, pełniącą funkcję klucza elektrolitycznegoklucz elektrolitycznyklucza elektrolitycznego. Klucz elektrolityczny umożliwia wędrówkę jonów z jednego roztworu do drugiego.

RwyVAVO99F2zU

Ilustracja przedstawiająca ogniwo Daniella. Po lewej, pierwszy bezbarwny wodny roztwór siarczanu (<math aria‑label="sześć">VI) cynku <math aria‑label="zet n s o indeks dolny cztery koniec indeksu">ZnSO4. W roztworze zanurzona jest anoda cynkowa oznaczona minusem. Ulega ona roztwarzaniu, co zaznaczono w postaci przechodzenia kationów <math aria‑label="zet n indeks górny dwa plus koniec indeksu">Zn2+. Anoda połączona jest z woltomierzem. Zaznaczono kierunek ruchu elektronów od anody do katody. Woltomierz dalej łączy się z katodą miedziową znajdującą się po prawej stronie ilustracji. Jest ona oznaczona plusem i zanurzona w niebieskim wodnym roztworze siarczanu (<math aria‑label="sześć">VI) miedzi(<math aria‑label="dwa">II) ${\text{CuSO}}_4$. Na katodzie wydziela się miedź, co zaznaczono w postaci przechodzenia kationów ${\text{Cu}}^{2+}$ z roztworu do katody. Oba roztwory łączy klucz elektrolityczny. Stanowi go odwrócona U kształtna rurka, zanurzona w każdym z roztworów jednym z dwóch końców. Kluczem poruszają się jony, kationy do katody, a aniony do anody.

Po połączeniu obu płytek ze sobą, płytka cynkowa zacznie się roztwarzać w roztworze siarczanu($\text{VI}$) cynku, więc do roztworu zaczną przedostawać się jony ${\text{Zn}}^{2+}$ zgodnie z równaniem:

Oddawane w ten sposób elektrony przechodzą do elektrody miedzianej. Obecne w roztworze jony ${\text{Cu}}^{2+}$ będą pobierały elektrony z powierzchni miedzi i zacznie przebiegać reakcja:

Jak łatwo zauważyć na elektrodzie cynkowej zaszła reakcja utleniania, więc elektrodę cynkową nazywać będziemy anodą. Na elektrodzie miedzianej zaszła reakcja redukcji, więc będziemy nazywać ją katodą.

Graficzne przedstawianie ogniw byłoby bardzo uciążliwe. Dlatego też, aby schematycznie zapisać takie ogniwo, stosuje się tzw. konwencję sztokholmskąkonwencja sztokholmskakonwencję sztokholmską.

W konwencji sztokholmskiej ogniwa zapisuje się w następujący sposób:

RXM3zlD1SSQL6

Zapis ogniwa w konwencji sztokholmskiej. A (anoda), pionowa kreska oznaczająca granice faz metal - roztwór A indeks dolny n + nawias a q koniec nawiasu koniec indeksu dolnego to skład roztworu anodowego, dwie pionowe kreski - oznaczają klucz elektrolityczny, K indeks górny m + nawias a q koniec nawiasu koniec indeksu górnego to skład roztworu katodowego, pionowa kreska, K - oznacza katodę.

Po lewej stronie zapisuje się symbol metalicznej anody. Pionowa kreska oznacza granicę faz pomiędzy metalem a roztworem, dwie pionowe kreski oznaczają klucz elektrolityczny, za nim skład roztworu katodowego, pionowa kreska oddzielająca granicę faz pomiędzy roztworem katodowym a katodą, metaliczna katoda.

Ogniwo Daniella wg. konwencji sztokholmskiej zapiszemy jako:

Eksperyment 1

Eksperyment 2

Podsumowanie

Odkrycie ogniw galwanicznym było ogromnym krokiem milowym w rozwoju nauki oraz życia codziennego. Przemiana energii chemicznej w elektryczną towarzyszy nam w życiu codziennym w naszych telefonach komórkowych czy tabletach.

Słownik

szereg aktywności metali

szereg aktywności metali

przedstawienie zdolności metali do wypierania wodoru z roztworu kwasów lub wody

RSfzNuWbXhrQb

Ilustracja przedstawiająca szereg aktywności metali. Fioletowa strzałka w lewą stronę, nad nią napis "wzrost aktywności chemicznej metali". Pod strzałką symbole metali, od najaktywniejszych po lewej stronie: $\text{Li}$, $\text{K}$, $\text{Ba}$, $\text{Ca}$, $\text{Na}$, które wypierają wodór z zimnej wody oraz z kwasów. Dalej aktywniejsze od wodoru i wypierające go z gorącej wody i z kwasów: $\text{Mg}$, $\text{Al}$, $\text{Zn}$, $\text{Fe}$, $\text{Cd}$, $\text{Ni}$, $\text{Sn}$, $\text{Pb}$. W tym miejscu szeregu znajduje się atom wodoru, za którym wymieniono metale mniej aktywne od wodoru, które nie wypierają wodoru z wody ani z kwasów: $\text{Sb}$, $\text{Bi}$, $\text{Cu}$, $\text{Hg}$, $\text{Ag}$, $\text{Pt}$, $\text{Au}$.

Bibliografia

Sobczyk L., Kisza A., Chemia fizyczna dla przyrodników, Warszawa $1975$.

Hejwowska S., Chemia $\mathit{3}$, Gdynia $2006$.