Ogniwo galwaniczne

1. Dążymy do ogniwa

Koniecznie przed rozpoczęciem tego postu, przeczytaj punkt 3. wprowadzenia do elektrochemii, bo dokładnie od tego momentu zaczynamy zabawę. Stanęło na tym, że reakcja redoks jest związana z przenoszeniem elektronów z jednego atomu/jonu do drugiego. I żeby gdyby tylko udało się jakoś ten przepływ elektronów wyizolować, to moglibyśmy to chciwie wykorzystać do własnych celów (praca elektryczna).

Urządzenie, które zrealizuje nasze marzenie nazywa się ogniwem galwanicznym. Najważniejszą jego cechą jest to, że sumaryczna reakcja redoks, która tam ma miejsce, zachodzi samorzutnie, czyli sama z siebie (nie trzeba jej pomagać). O podziale ogniw powiemy więcej nieco później.

Oto schemat takiego ogniwa :

Schemat ogniwa galwanicznego

Zaczniemy od opisu tego, co się dzieje na tym obrazku. Myślę, że całkiem logiczne będzie to, że ogniwo składa się z dwóch połówek, czyli półogniw. Jedno półogniwo (po lewej) powstało poprzez zanurzenie płytki cynkowej w roztworze siarczanu cynku (ZnSO4). Drugie półogniwo, po prawej, niczym się w tej kwestii nie różni, bo analogicznie zanurzamy płytkę miedzianą w roztworze siarczanu miedzi, czyli CuSO4 . Właśnie poznaliśmy definicję półogniwa.

Półogniwo to elektroda zanurzona w roztworze elektrolitu. Półogniwo = elektroda + elektrolit

Co to jest półogniwo?

Ok, sprytnie przemyciłem ,,nowe” pojęcia, więc teraz muszę się z tego wytłumaczyć. Zaczniemy od słówka elektrolit, bo to już dobrze znasz (pamiętasz czym była dysocjacja elektrolityczna?).

Elektrolit to jakaś substancja, która po wrzuceniu do wody ulegnie dysocjacji, przez co powstaną jony, a to jak wiemy, nadaje roztworowi możliwość przewodzenia prądu elektrycznego.

Co to jest elektrolit?

W praktyce w elektrochemii elektrolitem będzie jakaś dobrze rozpuszczalna sól. Więc dobrym wyborem będzie np. CuSO4 , który został użyty na schemacie wyżej, ale równie dobrze mógł to być CuCl2 czy Cu(NO3)2 , złym wyborem byłby jednak wodorotlenek Cu(OH)2 , bo jest słabo on rozpuszczalny.

Elektroda zapewnia przewodzącą powierzchnię, przez którą elektrony mogą wejść do półogniwa, albo z niego uciec.

Co to jest elektroda?

Elektrody znasz chociażby z medycznych seriali. Te łyżki defibrylatora, które są przykładane do klatki piersiowej pacjenta służą właśnie jako elektrody, czyli powierzchnie przewodzące prąd elektryczny (czyli elektrony).

Nic dziwnego zatem, że rolę elektrod pełnią metale. Wszystkiemu jest winne wiązanie metaliczne, co powoduje, że są one dobrymi przewodnikami.

Elektrody dalej można podzielić na anodę oraz katodę. Uwaga, dochodzimy teraz do jednego z najczęstszych błędów. Ludzie często utożsamiają katodę ze znakiem dodatnim (plus) i odwrotnie z anodą (minus), co zapewne bierze się z analogii do słów kation oraz anion. To jednak błędne rozumowanie!

Katoda to elektroda, na której zachodzi redukcja. Anoda, to ta elektroda, gdzie ma miejsce utlenianie. Mnemotechnika, pytasz? Red Cat = redukcja na katodzie.

Czym jest katoda i anoda? Jest to niesamowicie ważne!!!

Teraz jeszcze raz popatrzymy na schemat ogniwa, tym razem dokładniej opisanego :

Dokładny schemat ogniwa galwanicznego

Znów bardzo nieczyste zagranie z moje strony, bo na schemacie debiutuje klucz elektrolityczny. Na razie zostańmy przy tym, że jest to naczynie w kształcie U-rurki, które wypełnione jest kolejnym elektrolitem (tutaj Na2SO4), a które łączy ze sobą dwa półogniwa.

Dobrze, teraz krok po kroku, co się dzieje w ogniwie. To też dobry moment, abyś odświeżył sobie czym jest potencjał standardowy. Żartuję − musisz to sobie odświeżyć!

2. Co się dzieje w półogniwie, czyli zanurzamy płytkę w roztworze

Po dzisiejszej lekturze wiesz, że alternatywny tytuł tego podpunktu mógłby brzmieć : … czyli zanurzamy elektrodę w roztworze„.

Dobra, czyli bierzemy tylko jedno półogniwo, jeszcze nie łączymy go z drugim. Zanurzamy płytkę cynkową w ZnSO4 (1) oraz płytkę miedzianą w roztworze CuSO4 (2). Co się dzieje?

Następuje stan równowagi, który możemy opisać reakcjami połówkowymi :

(1) : Zn ⇄ Zn2+ + 2e

(2) : Cu ⇄ Cu2+ + 2e

Każda równowaga może być opisana przez stałą równowagi, natomiast tutaj mamy parametr bezpośrednio z nim powiązany, czyli potencjał standardowy[1]. Odczytujemy wartości potencjałów standardowych z tablic maturalnych :

Zn2+ + 2e ⇄ Zn E° = − 0,762 V

Cu2+ + 2e ⇄ Cu E° = 0,342 V

Teraz sto procent skupienia ziomuś, dasz radę! Zauważ, że potencjały opisują reakcję redukcji (przyjmowanie elektronów), natomiast równowagi (1) i (2), które napisaliśmy przed chwilą były dla odwrotnego procesu! Więc musimy sobie to teraz krok po kroku przetłumaczyć, pamiętając co oznaczały potencjały standardowe!

Skoro potencjał dla miedzi jest większy niż dla cynku (0,342 > − 0,762 ) to oznacza, że miedź bardziej chce się redukować niż cynk. W takim razie, która reakcja (1) czy (2) bardziej chciałaby zachodzić? Jedynka, bo skoro cynk mniej chce się redukować, to bardziej chce się utleniać.

Inaczej mówiąc, to cynk łatwiej traci (oddaje) elektrony niż miedź. Można by pomyśleć o tych cynkowych elektronach jak o takich, które mają większe ciśnienie (większa presja społeczna), żeby te elektrony oddać, mają jakby większą energię potencjalną (zwany w tym przypadku dokładniej potencjałem elektrycznym) i dlatego mają większą ,,potrzebę” , aby wypchać swoje elektrony do zewnętrznego obwodu elektrycznego. Wystarczy więc tylko połączyć półogniwa i mamy przepływ elektronów : od cynku do miedzi.

Jest świetna analogia przepływu elektronów do przepływu wody.

Świetna analogia przepływu elektronów i wody

Po prawej stronie mamy tak zwaną U−rurkę, pośrodku której jest przegroda (na czarno). Na zółto zaznaczono poziomy wypełnienia obu części rurek wodą. Po lewej stronie jest więcej wody, zatem ciśnienie wody jest tam wyższe. Możemy też powiedzieć, że ten poziom wody ma ,,większe ciśnienie” , żeby opaść w dół. Analogicznie jest z półogniwem, gdzie potencjał standardowy jest mniejszy – tam atom ma ,,większe ciśnienie”, żeby wypchać z siebie elektrony. Wystarczy z U − rurki usunąć przegrodę i następuje przepływ wody, a poziomy wody się wyrównają.

No i zgadnij co. Wystarczy zamknąć obwód elektryczny i elektrony popłyną od cynku do miedzi (przepływ wody). Nie będzie to trwać w nieskończoność, ale do czasu aż potencjały się wyrównają. Jest tutaj też analogia między energią potencjalną wody, a potencjałem elektrycznym w półogniwie.

Można powiedzieć, że różnica między poziomami wody jest siłą napędową jej ruchu i też podobnie jest w ogniwach. Różnica potencjałów standardowych jest siłą napędową tej reakcji! I faktycznie, nazywa się to nawet całkiem logicznie siłą elektromotoryczną ogniwa , w skrócie SEM. Powiemy o nim więcej w innym poście, bo na razie sama budowa ogniwa jest skomplikowana.

3. Ogniwo galwaniczne, krok po kroku

To jest duży post, trudny temat, przyznaję. Ale jest już dobrze, zbliżamy się ku końcowi! Teraz robimy takie podsumowanie.

Na mnie też ten rysunek robi wrażenie.

Zostały nam narysowane, ale jeszcze nieopisane etapy (4) oraz (5). Zauważ, że skoro atomy metalicznego cynku będą traciły dwa elektrony, to powstają z nich kationy cynku, które przechodzą do roztworu (zwróć uwagę na rozmiar atom/kation!). W takim razie płytka cynkowa nam się dosłownie pomniejsza, jakby ktoś nam nadgryzał tabliczkę czekolady, małych kosteczek jest coraz mniej! Odwrotnie będzie w drugim półogniwie, gdzie kationy miedzi Cu2+ wyłapują elektrony, które pozyskały od cynku, a zatem tworzą się atomy miedzi, które osadzają się na płytce. Można powiedzieć, cud! Tworzy nam się metaliczna miedź, blaszka/płytka się powiększa!

Ogniwo pod mikroskopem! Płytki cynkowej nam ubywa, natomiast miedzianej przybywa!

4. Klucz elektrolityczny (mostek solny)

To wciąż nie koniec, chociaż jest w miarę blisko. Szczerze mówiąc ja się sam podłamałem pisząc to, bo też myślałem, że już prawie to mamy. Ale zostały dwie kwestie.

Zastanówmy się jeszcze raz np. nad półogniwem cynkowym. Zobaczmy, skoro cynk traci dwa elektrony i przechodzi w kation cynku, a te elektrony uciekają potem kabelkiem do półogniwa miedziowego, to… co z tymi jonami cynku? Można powiedzieć, że czuje się trochę jak opuszczony nastolatek przez swoją partnerkę (elektron), która zdecydowała się pójść na studniówkę z innym chłopakiem (miedzią). No, ale przypał tak iść samemu, wręcz cynk stawia veto i mówi, że sam nie pójdzie.

I faktycznie, istnieje coś takiego jak reguła elektroobojętności, czyli w wystarczającej nam wersji : kationy = aniony. Roztwór musi mieć ładunek równy zero. Rzeczywiście nie może być takiej sytuacji, że nagle w roztworze gromadzą nam się jony dodatnie, trzeba to jakoś ,,wyrównać”. I to jest właśnie rola mostka solnego (klucza elektrolitycznego). Trzeba do tego mostka po prostu wrzucić jakiś elektrolit, który będzie reagował na zmiany w ilościach kationów/anionów w roztworach i naprawiał te błędy w Matrixie.

Skoro w półogniwie cynkowym zwiększa się stężenie kationów Zn2+ , to mostek solny dostarczy tam swoje aniony. A czekaj, czekaj! Czy przypadkiem elektroda cynkowa nie nazywała się anodą?! No i faktycznie, stąd się wzięła nazwa anody (historycznie), bo do niej lecą aniony (z klucza)!

Analogicznie, w półogniwie miedziowym zmniejsza się stężenie kationów Cu w roztworze, zatem mostek solny dostarczy tam swoje kationy. Bez mostka solnego ani rusz!

5. Znak anody i katody, czyli wielka zagadka

Tak jak wspominałem wcześniej, typowym błędem, który należy bezwzględnie wytępić jest myślenie, że definicją anody i katody jest znak, odpowiednio minus i plus. Jest to nieprawda, te elektrody definiuje się jako miejsca, gdzie zachodzi utlenianie (anoda) oraz redukcja (katoda).

Pochodzenie znaków minus i plus należy rozumieć (ewentualnie w najgorszym wypadku zapamiętać), ponieważ są one różne w różnych ogniwach. Ogniwa dzielą się na dwa typy, galwaniczne, które teraz omawiamy oraz elektrolityczne, które jeszcze nas czeka. Znaki katody i anody są tam różne!

Ogniwo
galwaniczne
Ogniwo
elektrolityczne
Katoda+
Anoda+
Znaki katody i anody w ogniwach elektrochemicznych, które dzielą się na galwaniczne i elektrolityczne

Ogólnie znak katody i anody w ogniwie galwanicznym łatwo pojąć. Cynk ciągle ,,tworzy” elektrony (e), a zatem anoda ma ładunek minus (bo to tak, jakbyśmy ciągle dodawali elektrony, które mają ładunek ujemny). Miedź natomiast ciągle pożera (konsumuje) elektrony, więc katoda ma ładunek dodatni.

Od razu przyznam, że to się myli, bo można również pomyśleć, że skoro elektrony płyną od cynku do miedzi, to cynk powinien mieć znak (+), bo traci elektrony i analogicznie miedź powinna być z minusem, bo ciągle przyjmuje elektrony. Ale to jest myślenie, które nie bierze całości obrazu pod uwagę.

Skąd się biorą znaki plus i minus na katodzie i anodzie?

[1] Stała równowagi pomagała nam odpowiedzieć na pytanie, w którą stronę reakcja zachodziła. Jeśli K > 1 , to reakcja zachodzi w prawo, jeśli K < 1 to w lewo. I faktycznie, stała równowagi jest powiązana z potencjałami następującym równaniem :

\displaystyle E^{\circ} = \frac{0,059}{z} \ log \ K

Ten wzór Was nie obowiązuje , więc spokojnie, nie ucz się tego na pamięć. Chcę Ci tylko pokazać, że faktycznie potencjał jest powiązany ze stałą równowagi. Liczba z oznacza ile elektronów jest przenoszonych w trakcie reakcji, czyli np. dla srebra z = 1, dla cynku z = 2, dla glinu z = 3. W książkach spotkacie się z alternatywnym symbolem n , jednak z jest dopuszczalne i nawet lepsze, bo nie myli się z liczbą moli. Teraz sami możemy udowodnić jaka jest zależność potencjału od wartości stałej K.

Jeśli K > 1 , to log K > 0 , wtedy E° > 0 , jeśli K < 1 , to log K < 0 , wtedy E° < 0. Podsumowując :

Reakcja idzie w prawo Reakcja idzie w lewo
K > 1K < 1
E° > 0 E° < 0
Porównanie kierunku reakcji chemicznej i odpowiadających im wartościach stałych równowagi oraz potencjałów

Leave a Reply

%d bloggers like this: