Przeczytaj

bg‑cyan

Ogniwo Daniella

Ogniwo galwaniczne jest układem dwóch półogniw, połączonych ze sobą za pomocą klucza elektrolitycznego, dzięki któremu możliwy jest przepływ jonów, wyrównujący różnicę ładunków. Odpowiada on za przekazywanie elektronów. Źródłem prądu elektrycznego w ogniwie są reakcje redukcji i utlenienia.

Jednym z pierwszych ogniw było ogniwo Daniella, w którym na anodzieanodaanodzie zachodzi utlenianieutlenianieutlenianie cynku. Jony ${Zn}^{2 +}$ przechodzą do roztworu, natomiast elektrony wędrują do katodykatodakatody, gdzie zachodzi redukcjaredukcjaredukcja jonów ${Cu}^{2 +}$ . Przez klucz elektrolitycznyklucz elektrolitycznyklucz elektrolityczny przemieszczają się jony przeciwnego znaku ( ${SO}_{4}^{2 -}$ ), w celu wyrównania powstającej różnicy ładunków. Schemat ogniwa można zapisać następująco:

(-) Zn | {ZnSO}_{4} (c_{1}) | | {CuSO}_{4} (c_{2}) | Cu (+)

lub

(-) Zn | {Zn}^{2 +} | | {Cu}^{2 +} | Cu (+)

Reakcje zachodzące na elektrodachelektrodaelektrodach można zapisać równaniami:

A (-) Zn \to {Zn}^{2 +} + 2 e^{-} utlenianie

K (+) {Cu}^{2 +} + 2 e^{-} \to Cu redukcja

Sumarycznie, procesy zachodzące w ogniwie, można przedstawić równaniem:

Zn + {Cu}^{2 +} \to {Zn}^{2 +} + Cu

Polecenie 1

Co się dzieje podczas pracy ogniwa Daniella? Przeanalizujmy poniższy schemat.

Co się dzieje podczas pracy ogniwa Daniella? Zapoznaj się z opisem schematu.

RwyVAVO99F2zU1

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) CuSO4. Na katodzie wydziela się miedź, co zaznaczono w postaci przechodzenia kationów Cu2+ 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. — Ogniwo Daniella
Źródło: GroMar Sp. z o. o. opracowano na podstawie: Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., *Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony*, Warszawa – Bielsko-Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ilościowa interpretacja reakcji chemicznej zachodzącej w ogniwie

Warto zauważyć, że jeśli do roztworu przechodzi $65 g$ jonów cynku (1 molmolmol), to na miedzianej blaszce osadza się $63,5 g$ ( $1 mol$ ) jonów miedzi $(II)$ . Masa blaszki cynkowej maleje o $65 g$ , natomiast masa blaszki miedzianej wzrasta o $63,5 g$ . Blaszka cynkowa roztwarza się, natomiast na blaszce miedziowej miedź się osadza. Ogniwo pracuje do tego momentu (przepływa przez nie prąd), aż nie nastąpi całkowite roztworzenieroztwarzanieroztworzenie płytki cynkowej, zanurzonej w roztworze (wszystkie atomy cynku obecne w płytce się utlenią), i redukcja wszystkich obecnych w roztworze kationów miedzi ${Cu}^{2 +}$ .

bg‑cyan

Ogniwa redoks i ogniwa stężeniowe

Inaczej wyglądają procesy elektrodowe, które zachodzą w ogniwach stężeniowych oraz ogniwach redoks.

Ogniwo stężeniowe zbudowane jest z dwóch jednakowych elektrod metalicznych, zanurzonych w roztworach z jonami potencjałotwórczymi tego metalu o różnych stężeniach: $c_{1} < c_{2}$ . Przykład ogniwa stężeniowego:

(-) Ag | {AgNO}_{3} (c_{1}) | | {AgNO}_{3} (c_{2}) | Ag (+)

Ruk9sRCXBpTqS1

Ilustracja przedstawiająca ogniwo redoksowe stężeniowe. Po lewej, pierwszy bezbarwny wodny roztwór azotanu(<math aria‑label="pięć">V) srebra(<math aria‑label="jeden">I) AgNO3 o stężeniu 0,001 mola na decymetr sześcienny. W roztworze zanurzona jest anoda srebrowa oznaczona minusem i połączona z woltomierzem (wskazującym wartość zero przecinek siedemdziesiąt sześć wolta). Woltomierz dalej łączy się z katodą srebrową A g znajdującą się po prawej stronie ilustracji. Jest ona oznaczona plusem i zanurzona w bezbarwnym, wodnym roztworze azotanu(<math aria‑label="pięć">V) srebra(<math aria‑label="jeden">I) AgNO3 o stężeniu 0,1 mola na decymetr sześcienny. Oba roztwory łączy klucz elektrolityczny. Stanowi go odwrócona U kształtna rurka, zanurzona w każdym z roztworów jednym z dwóch końców. Pomiędzy zlewkami zapisano C1<C2. — Schemat ogniwa redoksowego
Źródło: GroMar Sp.z o.o. opracowano na podstawie: M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, *Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony*, Warszawa – Bielsko-Biała 2010, licencja: CC BY-SA 3.0.

Różnica stężeń powoduje wyraźną różnicę potencjałów elektrod i dlatego anodą i katodą są odpowiednio:

A (-) Ag \to {Ag}^{+} (c_{1}) + e^{-}

K (+) {Ag}^{+} (c_{2}) + e^{-} \to Ag

Sumaryczna reakcja zachodząca w ogniwie:

Ag + {Ag}^{+} (c_{2}) \to {Ag}^{+} (c_{1}) + Ag

Ogniwo pracuje do momentu wyrównania stężeń roztworów. SEM ogniwa można obliczyć następująco:

SEM = (E_{Ag (c_{2})} - E_{Ag (c_{1})}) = \frac{2, 303 RT}{F} \cdot log \frac{c_{2}}{c_{1}}

Ogniwo redoksowe (tzw. redoks) jest zbudowane z dwóch półogniw utleniająco‑redukujących, połączonych kluczem elektrolitycznym. Schemat takiego ogniwa przedstawia rysunek zamieszczony poniżej.

Rog6dhgIW15u91

Ilustracja przedstawiająca ogniwo redoksowe. Po lewej, pierwszy bezbarwny roztwór chlorku cyny (<math aria‑label="dwa">II) SnCl2 oraz chlorku cyny (<math aria‑label="cztery">IV). W roztworze zanurzona jest anoda platynowa oznaczona minusem i połączona z woltomierzem (wskazującym wartość zero przecinek siedemdziesiąt sześć wolta). Woltomierz dalej łączy się z katodą platynową P t znajdującą się po prawej stronie ilustracji. Jest ona oznaczona plusem i zanurzona w żółtym roztworze chlorku żelaza (<math aria‑label="dwa">II) FeCl2 oraz chlorku żelaza (<math aria‑label="trzy">III) FeCl3. Oba roztwory łączy klucz elektrolityczny. Stanowi go odwrócona U kształtna rurka, zanurzona w każdym z roztworów jednym z dwóch końców. — Schemat ogniwa redoksowego
Źródło: GroMar Sp.z o.o. opracowano na podstawie: M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, *Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony*, Warszawa – Bielsko-Biała 2010, licencja: CC BY-SA 3.0.

Schemat ogniwa redoksowego:

(-) Pt | {Sn}^{4 +}, {Sn}^{2 +} | | {Fe}^{2 +}, {Fe}^{3 +} | Pt (+)

A (-) {Sn}^{2 +} \to {Sn}^{4 +} + 2 e^{-}

K (+) 2 {Fe}^{3 +} + 2 e^{-} \to 2 {Fe}^{2 +}

Sumaryczna reakcja zachodząca w ogniwie:

{Sn}^{2 +} + 2 {Fe}^{3 +} \to {Sn}^{4 +} + 2 {Fe}^{2 +}

Siłę elektromotoryczną ogniwa (SEM) można obliczyć stosując potencjały standardowe półogniw, oznaczane jako $E$ . Wartość potencjału standardowego półogniwa jest różnicą pomiędzy potencjałem ogniwa wodorowego (dla którego przyjęto wartość $0$ ), a półogniwem badanego materiału – wielkości te są podane w tablicach fizykochemicznych. Przy obliczaniu SEM ogniwa, zawsze odejmujemy wartość potencjału anody od wartości potencjału katody.

SEM = {E^{0}}_{{Fe}^{2 +} | {Fe}^{3 +}} - {E^{0}}_{{Sn}^{2 +} | {Sn}^{4 +}}

bg‑cyan

Ogniwo Leclanchégo

Ogniwo Leclanchégo to ogniwo cynkowo‑węglowe, które stosowane jest w wielu bateriach dostępnych w sprzedaży. Jego istotną wadą jest brak możliwości regeneracji. Schemat budowy ogniwa cynkowo‑węglowego zapisuje się w następujący sposób:

(-) Zn | {NH}_{4} Cl, {ZnCl}_{2} | {MnO}_{2}, C (+)

Reakcje zachodzące na elektrodach można zapisać równaniami:

A (-) Zn \to {Zn}^{2 +} + 2 e^{-}

K (+) 2 {NH}_{4}^{+} + 2 e^{-} \to 2 {NH}_{3} + H_{2} ↑

RYqb8rtU33cxJ1

Na ilustracji znajduje się przekrój baterii alkalicznej. Bateria ma kształt walca, przez jego centrum przechodzi pręt węglowy, który jest otoczony pastą MnO2, z grafitem i NH4Claq.. Warstwę zewnętrzną stanowi roztwór NH4Cl zagęszczony skrobią lub SiO2. W górnej części baterii, oznaczonej znakiem plus znajduje się zamknięcie smołowe zabezpieczające przed wysychaniem oraz kubek cynkowy. Dolna część baterii oznaczona jest znakiem minus. — Przykład ogniwa nieodwracalnego
Źródło: GroMar Sp. z o.o. opracowano na podstawie: M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, *Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony*, Warszawa – Bielsko-Biała 2010, licencja: CC BY-SA 3.0.

Wygodniejsze w użyciu są jednak ogniwa odwracalne, czyli takie, które po wyczerpaniu można ponownie naładować. Przykładem takiego jest akumulator kwasowo‑ołowiowy (akumulator Plantego), który jest często wykorzystywany jako źródło zasilania rozrusznika samochodowego.

Słownik

anoda

(gr. ánodos „droga w górę”) w ogniwie galwanicznym jest to elektroda posiadająca ładunek ujemny; zachodzi na niej reakcja utleniania

katoda

(gr. káthodos „schodzenie”) w ogniwie galwanicznym jest to elektroda posiadająca ładunek dodatni; zachodzi na niej reakcja redukcji

elektroda

(gr. ḗlektron „bursztyn”, hodós „droga”) chemiczny układ złożony z przewodnika elektronowego (metal, półprzewodnik) stykającego się z przewodnikiem jonowym (najczęściej ciekły elektrolit), w którym może przebiegać reakcja elektrodowa utleniania‑redukcji

mol

podstawowa jednostka liczności (ilości) materii w układzie SI, równa $6,023 \cdot 10^{23}$

utlenianie

oksydacja; chemiczny proces, który polega na oddaniu elektronu (elektronów) przez jon, atom lub grupę atomów, w wyniku czego podwyższa się stopień utlenienia pierwiastka oddającego elektrony

potencjał elektrody

charakterystyczna dla każdej elektrody różnica potencjałów Galvaniego (potencjał elektryczny fazy) między fazami tworzącymi tę elektrodę (np. elektrolitem i metalem); powstaje jako konsekwencja uformowania się elektrycznej warstwy podwójnej

redukcja

elektronizacja; chemiczny proces, który polega na pobraniu elektronu (elektronów) przez jon lub atom, w wyniku czego maleje stopień utlenienia pierwiastka

roztwarzanie

reakcja chemiczna prowadząca do otrzymywania jednorodnej mieszaniny wieloskładnikowej wskutek zachodzących oddziaływań między czynnikiem roztwarzającym a stałą substancją roztwarzaną

klucz elektrolityczny

klucz; mostek solny; urządzenie łączące elektrolity w naczyniu elektrolitycznym, którego głównym zadaniem jest zmniejszenie potencjału dyfuzyjnego między tymi elektrolitami i zapobieganie ich mieszaniu się

Bibliografia

Krzeczkowska M., Loch J., Mizera A., Repetytorium chemia. Liceum – poziom podstawowy i rozszerzony, Warszawa – Bielsko‑Biała 2010.

Wprowadzenie

Animacja

Ogniwo Daniella

Ilościowa interpretacja reakcji chemicznej zachodzącej w ogniwie

Ogniwa redoks i ogniwa stężeniowe

Ogniwo Leclanchégo

Słownik

Bibliografia