Przeczytaj
Ogniwo galwaniczne to układ dwóch półogniw połączonych ze sobą za pomocą klucza elektrolitycznego. Dzięki kluczowi elektrolitycznemu możliwy jest przepływ jonów, z kolei połączenie półogniw przewodnikiem metalicznym umożliwia przekazywanie elektronów, co skutkuje przepływem prądu elektrycznego. Źródłem prądu ogniwa są reakcje utlenianiautleniania i redukcjiredukcji zachodzące w półogniwach.
Siła elektromotoryczna ogniwa
Siła elektromotoryczna ogniwa (SEM) jest to napięcie między półogniwami niepracującego ogniwa galwanicznego. Jednostką SEM jest wolt [V]. Siłę elektromotoryczną ogniwa oblicza się, odejmując od potencjału katodykatody potencjał anodyanody. Warto pamiętać, że potencjał katody jest większy od potencjału anody. Napięcie pomiędzy dwoma półogniwami jest największe właśnie wtedy, gdy ogniwo nie pracuje. Na katodzie (znak dodatni) zachodzi reakcja redukcji, a na anodzie (znak ujemny) - reakcja utlenienia.
Pomiar siły elektromotorycznej ogniwa
Siłę elektromotoryczną ogniwa można zmierzyć za pomocą woltomierzawoltomierza. Katodę (+) podłącza się do dodatniego „+” zacisku woltomierza, natomiast anodę (-) podłącza się do ujemnego „–” zacisku woltomierza. Na wyświetlaczu woltomierza odczytuje się dodatnią wartość SEM.
Obliczanie siły elektromotorycznej ogniwa – przykłady
Znając potencjał katody i anody, można wyznaczyć SEM ze wzoru:
Obliczanie SEM ogniwa galwanicznego na podstawie standardowych potencjałów półogniw
Jeżeli wszystkie substancje występują w stanie standardowym, można wyznaczyć standardową siłę elektromotoryczną ogniwa. Stan standardowy oznacza, że przewodnik elektronowy zanurzony jest w roztworze zawierającym jony potencjałotwórcze o stężeniu 1 , a gazy występują pod ciśnieniem 1013 hPa w temperaturze 298 K (25°C). W takich warunkach SEM oblicza się, odejmując od potencjału standardowego katody potencjał standardowy anody. Wartości standardowych potencjałów półogniwstandardowych potencjałów półogniw przedstawione są w tablicach fizykochemicznych.
Podaj wartość siły elektromotorycznej poniższego ogniwa (warunki standardowe).
Zgodnie z konwencją sztokholmską, budowę ogniwa przedstawia się, korzystając ze schematu. Po lewej stronie schematu w nawiasie umieszcza się znak minus (-) oraz zapis półogniwa o niższym potencjale (anoda). Następnie dwiema pionowymi kreskami II zaznacza się znak klucza elektrolitycznego. Po prawej stronie klucza umieszcza się zapis półogniwa o wyższym potencjale (katoda) oraz znak plus w nawiasie (+).
W tym przypadku, gdzie katodą jest półogniwo miedziowe, a anodą półogniwo niklowe, schemat tego ogniwa jest następujący:
SEM tego ogniwa wynosi 0,57 V.
Obliczanie SEM ogniwa galwanicznego (przypadek, gdy stężenie jonów w roztworze nie jest równe 1 )
Dla ogniwa galwanicznego, w którym zachodzi sumaryczna reakcja:
siłę elektromotoryczną tego ogniwa można zapisać w następujący sposób:
gdzie:
– siła elektromotoryczna ogniwa [V];
lub – potencjał katody [V];
lub – potencjał anody [V];
– uniwersalna stała gazowa [8,314 ];
– temperatura [K];
– liczba elektronów biorących udział w reakcji zachodzącej w ogniwie;
– stała Faradaya [96500 ];
– stężenie molowe formy utlenionej występującej na katodzie [];
– stężenie molowe formy utlenionej występującej na anodzie [];
Równanie to jest prawdziwe dla odpowiednio niskich stężeń jonów, gdy reakcja dotyczy czystego metalu z jego jonami.
Dla temperatury 298 K (25°C) wyrażenie to można uprościć do postaci:
Wyrażenie zostało wyliczone w wyniku podstawienia wartości stałej gazowej, temperatury oraz stałej Faradaya do wyrażenia .
Oblicz siłę elektromotoryczną poniższego ogniwa, mierzoną w temperaturze 298 K.
Schemat ogniwa:
Sumaryczne równanie zachodzące na ogniwie:
SEM tego ogniwa wynosi 0,54 V.
Warto zauważyć, że w przypadku, kiedy stężenia obu roztworów byłyby takie same, to SEM obliczana byłaby z różnicy potencjałów standardowych tych półogniw. Człon równania z logarytmem byłby pomijany, ponieważ log 1 = 0.
Obliczanie SEM ogniwa redoksowego
Ogniwo redoksoweredoksowe zbudowane jest z dwóch półogniw redox. Przykładem takiego ogniwa są dwie blaszki platynowe (platyna jest metalem, który nie daje reakcji elektrodowej) zanurzone w roztworach zawierających substancje w formie utlenionej i zredukowanej. Na przykład:
W przypadku tego typu półogniw schemat ogniwa zapisuje się w następujący sposób:
gdzie:
– metal, z którego wykonany jest przewodnik elektronowy;
i – formy zredukowana i utleniona substancji znajdujące się w półogniwie o niższym potencjale (anoda);
i – formy zredukowana i utleniona substancji znajdujące się w półogniwie o wyższym potencjale (katoda);
– klucz elektrolityczny.
Schemat tego ogniwa jest następujący:
Sumaryczna reakcja zachodząca w ogniwie:
W przypadku, gdy stężenia obu roztworów są jednakowe (C=0,01 M), siłę elektromotoryczną tego ogniwa można obliczyć w następujący sposób:
Siła elektromotoryczna tego ogniwa redoksowego wynosi 1,17 V.
Obliczanie SEM ogniwa stężeniowego
Ogniwo stężeniowe składa się z dwóch takich samych elektrod różniących się stężeniem jonów potencjałotwórczych zanurzonych w roztworze elektrolituelektrolitu zawierającego jony tego metalu, ale stężenia tych jonów są różne. Katodą w takim ogniwie jest półogniwo o wyższym stężeniu jonów potencjałotwórczych. Natomiast anodą jest półogniwo o niższym stężeniu jonów potencjałotwórczych.
Siłę elektromotoryczną ogniwa stężeniowego można obliczyć z równań:
Przykładem ogniwa stężeniowego są dwie blaszki srebrne zanurzone w roztworach azotanu(V) srebra o stężeniu 0,1 i stężeniu 0,01 .
Schemat tego ogniwa jest następujący:
Sumaryczna reakcja zachodząca w ogniwie:
Siłę elektromotoryczną tego ogniwa w temp. 298 K oblicza się następująco:
Siła elektromotoryczna tego ogniwa stężeniowego wynosi 0,059 V.
Po przeanalizowaniu powyższych przykładów obliczania siły elektromotorycznej ogniwa wynika, że siła elektromotoryczna ogniwa zależy od:
rodzaju półogniw budujących ogniwo;
stężenia jonów potencjałotwórczych (w przypadku gazów będzie zależała od ciśnienia);
temperatury.
Potencjały standardowe półogniw są zebrane w tablicach fizykochemicznych.
Półogniwo (schemat) | Reakcja przebiegająca na półogniwie | [V] |
---|---|---|
-3,04 | ||
-2,93 | ||
-2,91 | ||
-2,84 | ||
-2,71 | ||
-2,36 | ||
-1,97 | ||
-1,66 | ||
-1,18 | ||
-0,83 | ||
-0,76 | ||
-0,74 | ||
-0,44 | ||
-0,40 | ||
-0,28 | ||
-0,23 | ||
-0,15 | ||
-0,14 | ||
-0,13 | ||
-0,04 | ||
0,00 | ||
+0,07 | ||
+0,15 | ||
+0,15 | ||
+0,22 | ||
+0,27 | ||
+0,34 | ||
+0,40 | ||
+0,52 | ||
+0,54 | ||
+0,77 | ||
+0,80 | ||
+0,85 | ||
+1,09 | ||
+1,22 | ||
+1,23 | ||
+1,33 | ||
+1,36 | ||
+1,50 | ||
+1,51 | ||
+1,51 | ||
+1,72 | ||
+1,78 | ||
+1,92 | ||
+2,87 |
Tabela potencjałów standardowych półogniw w temperaturze 25°C.
Indeks dolny /Na podstawie: Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2010 oraz Jones L., Atkins P., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, tłum. Jan Kuryłowicz, Warszawa 2012./ Indeks dolny koniec/Na podstawie: Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2010 oraz Jones L., Atkins P., Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, tłum. Jan Kuryłowicz, Warszawa 2012./
Słownik
półogniwo, na którym zachodzi reakcja utleniania; w ogniwie ma znak ujemny
substancja, która po rozpuszczeniu lub stopieniu ulega dysocjacji elektrolitycznej, a powstały w ten sposób roztwór może przewodzić prąd elektryczny
półogniwo, na którym zachodzi reakcja redukcji; w ogniwie ma znak dodatni
potencjał półogniwa, w którym przewodnik elektronowy zanurzony jest w roztworze zawierającym jony potencjałotwórcze o stężeniu 1 , a gazy są pod ciśnieniem 1013 hPa w temperaturze 298 K (25°C), mierzony względem standardowego półogniwa wodorowego
urządzenie wykorzystywane do pomiaru pH danego roztworu
reakcja, w której dochodzi do przeniesienia elektronów, co prowadzi do zmiany stopnia utlenienia
pojęcie umowne, określające liczbę dodatnich lub ujemnych ładunków elementarnych, które można by przypisać atomowi pierwiastka chem., wchodzącego w skład określonego związku, gdyby cząsteczki tego związku miały budowę jonową
atom, jon lub cząsteczka, które w reakcji redoks są donorem elektronu (elektronów)
atom, jon lub cząsteczka, które w reakcji redoks są akceptorem elektronu (elektronów)
proces przyjmowania elektronów, związany z obniżaniem stopnia utlenienia utleniacza
proces oddawania elektronów, związany z podwyższaniem stopnia utlenienia reduktora
urządzenie pomiarowe pozwalające zmierzyć siłę elektromotoryczną ogniwa
Bibliografia:
Bełtowska‑Brzezinska M., Podstawy kinetyki chemicznej. Skrypt do wykładów, Poznań 2009.
Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.
Encyklopedia PWN
Hejwowska S., Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.
Burewicz A., Jgodziński P., Pracowania chemiczna z dydaktyki chemii. Doświadczenia chemiczne dla szkół ponadgimnazjalnych, Poznań 2004., online: http://www.wbc.poznan.pl/Content/6711/Skrypt_liceum_1.pdf, dostęp: 28.01.2021.
Energia w reakcjach chemicznych, online: http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/ogolna/reakcje/reakcje_energia.html, dostęp: 28.01.2021.