Elektrochemia − wprowadzenie

1. Elektrochemia, czyli bez redoksów nie podchodź

W sumie tytuł tego podpunktu wystarczy. Jeżeli nie potrafisz jeszcze reakcji redoks, nie ogarniasz stopni utlenienia czy bilansować tych reakcji, to nie bardzo masz czego szukać w elektrochemii.

Elektrochemia to nie ukrywam, nielubiany przez wielu dział. Jednak w dużej mierze wynika to z niechęci do samych redoksów, jednak my znając uniwersalną metodę bilansowania reakcji redoks nie powinniśmy się jakoś specjalnie bać elektrochemii. Czym jednak w ogóle jest ta elektrochemia?

Elektrochemia będzie ogarniać jaka jest zależność pomiędzy reakcją chemiczną (redoks), a pracą elektryczną[1].

Co to jest elektrochemia ?

2. Troszkę, ciut, ciut, fizyki

Nie, spokojnie, nie zamykaj przeglądarki. Naprawdę niedużo tej fizyki będzie. Po prostu chciałbym przypomnieć czym jest prąd.

Prąd elektryczny – to nic innego, jak uporządkowany ruch ładunków elektrycznych.  A te ładunki to po prostu cząstki, które potrafią wytwarzać pole elektryczne. Mogą to być :

  • ładunki dodatnie (np. jony dodatnie: H+ )
  • ładunki ujemne (np. elektrony e lub jony np.  OH)

A słowo ,,uporządkowany” : oznacza po prostu przejście z chaotycznego ułożenia w ukierunkowany ruch, tylko wtedy powstanie prąd. Teraz jeszcze ważna sprawa – w jakim kierunku leci sobie ten prąd elektryczny?

  • jeśli nośnikami prądu są ładunki dodatnie, to umowny kierunek prądu jest zgodny z kierunkiem ich ruchu uporządkowanego
  • jeśli nośnikami prądu są ładunki ujemne, to umowny kierunek prądu jest przeciwny do kierunku ich ruchu uporządkowanego

Te dwa podpunkty wyżej opisują rzeczywisty kierunek prądu, natomiast umowny kierunek prądu jest od plusa (+) do minusa  (−).

Kierunek ruchu nośników ładunku elektrycznego (np. elektronów czy jonów), a kierunek prądu elektrycznego

Sam ,,ładunek” elektryczny też ma jakąś jednostkę, analogicznie jak jednostką masy jest np. kilogram. Tutaj będzie to kulomb, o symbolu C. Jeden kulomb to natomiast jeden amper (A) przemnożony przez jedną sekundę (s) :

1C = 1A • 1s

I właśnie powyższą zależność możesz traktować jak definicję kulomba, czyli jest to ładunek elektryczny, który zostanie przeniesiony w czasie 1 sekundy przez prąd o natężeniu wynoszącym 1 amper.

Za każdą jednostką stoi symbol wielkości. Ładunek elektryczny ma symbol Q [2] , amper jest jednostką natężenia prądu (I), natomiast czas to oczywiście t. Możemy zatem zapisać ważny dla nas potem w elektrolizie wzór na ładunek w zależności od natężenia prądu i czasu trwania (elektrolizy) :

Q= I • t

3. Zróbmy reakcję redoks

Ok, czas na kolejne ,,koronawirusowe” doświadczenie chemiczne, a więc patrzymy na obrazki. W sumie, czy to się różni od tego, co dotychczas było w szkole[3]?

No dobrze, do roboty. Zanurzamy płytkę metalicznego cynku (po prostu : metal cynk w kształcie płaskiej płytki) w roztworze siarczanu miedzi, czyli CuSO4 (roztwór będzie miał zatem niebieską barwę) . Zachodzi reakcja chemiczna :

Zn + CuSO4 ⟶ Cu + ZnSO4

A doświadczenie wygląda tak :

Doświadczenie reakcji redoks, co jest dla nas wstępem do elektrochemii

Na obrazku po lewej stronie mamy sam początek doświadczenia, a więc właśnie zanurzyliśmy płytkę cynkową w roztworze siarczanu miedzi. Po prawej stronie natomiast mamy obraz, gdzie minęła już solidna porcja czasu. Najpierw ogarnijmy obserwacje, to co widzimy.

Po pierwsze, roztwór uległ odbarwieniu (jest co najwyżej bladoniebieski), ponieważ niebieski siarczan miedzi uległ zużyciu (jest substratem) i powstał bezbarwny siarczan cynku (produkt). Kolejna rzecz to jakiś dziwny czarny ,,osad” na naszej płytce cynkowej. Oczywiście odpowiedzialna jest za to osadzająca się miedź. Zwróć uwagę, że sama płytka cynkowa ulega zużyciu (cynk jest substratem), jednak jeśli wyciągniemy płytkę to niekoniecznie będzie ona lżejsza, bo na niej osadza się miedź. Da się to jednak obliczyć.

Ok, wszystkie te obserwacje prowadzą nas do wniosku, że faktycznie reakcja zaszła. Gdyby tą reakcję zapisać w formie jonowej skróconej :

Zn + Cu2+ Cu + Zn2+

To jak na dłoni widać redoksa! Cynk się utlenia, tracąc elektrony, natomiast miedź się redukuje, przyjmując elektrony. Jak wiemy, reakcja redoks jest transferem elektronów, cynk je oddaje, natomiast miedź je przyjmuje. Zauważ tutaj podobieństwo do reakcji kwas−zasada Bronsteda, gdzie kwas oddaje jon H+ , a zasada go przyjmuje. Jeszcze większe wrażenie to robi, jak przypomnimy sobie, że na jon H+ wołamy ,,proton”. Czyli w redoksach przenoszony jest elektron, a w reakcji kwas−zasada proton. Nieźle!

Porównanie reakcji redoks do reakcji kwasu i zasady Bronsteda

To przenoszenie elektronów pomiędzy miedzią, a cynkiem jest zobrazowane pod naczyniami (obraz mikroskopowy).

Co się dzieje w reakcji redoks – widok mikroskopowy

Dobra, czyli w reakcji redoks są zaangażowane elektrony, redoks to po prostu transfer elektronów z jednego (czegoś) do drugiego (czegoś). Tylko problem jest taki, że to się dzieje wszystko od razu. Gdy tylko cynk odda swoje elektrony, to chciwe jony miedzi od razu je wychwytują, a my nie mamy pożytku z tych elektronów, bo miedź od razu je pożera.

Gdyby tylko dało się rozdzielić te dwa procesy, utleniania i redukcji i sprawić, że elektrony przemieszczałyby się jakimś kabelkiem między naczyniem, w którym zachodzi utlenianie do tego, w którym zachodzi redukcja, to można by ten ruch elektronów (prąd!) jakoś wykorzystać… No i właśnie dlatego się tutaj spotkaliśmy, bo tak się składa, że jest to możliwe.

Zabieramy się za ogniwa elektrochemiczne!


[1] Nieco bardziej po ,,fizycznemu” powiedzielibyśmy : praca prądu elektrycznego.

[2] Niestety można się też spotkać z symbolem małe q .

[3] Nasze szkoły są znane ze spektakularnej, przytłaczającej wręcz ilości chemicznych doświadczeń. Pamiętam jak przez trzy lata w gimnazjum jedynym doświadczeniem było obmacanie kawałka marmuru, który poleciał dzielnie przez całą klasą (normalnie każdy mógł to dotknąć!). Tak, to dokładnie ten chłodny dotyk marmuru sprawił, że moja pasja do chemii się rozwinęła do takich granic i zobacz dokąd to powędrowało, gdzie jesteśmy….

Leave a Reply

%d bloggers like this: