1. Jak napisać schemat ogniwa ?

Ostatnio dokładnie omówiliśmy budowę ogniwa galwanicznego, które można było przedstawić w postaci rysunku :

Ale nie oszukujmy się, ciągłe rysowanie czegoś takiego byłoby męczące. Dlatego opracowano specjalny system, zapis ogniwa, który przedstawia ten sam rysunek w kilka sekund. Jest to tak zwany schemat ogniwa, który zapisujemy zgodnie z konwencją Sztokholmską. Konwencją, ponieważ jest to coś umownego, a dlatego też musimy się tego nauczyć, tak samo jak tego, że samochodem jeździ się po prawej stronie ulicy.

Schemat ogniwa jest jednak całkiem logiczny trzeba przyznać. Pamiętasz, że elektrony przepływały od anody do katody? Tak też zapisujemy schemat ogniwa, od anody do katody. Dla powyższego ogniwa byłoby to :

Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu

Można by to także zapisać nieco dokładniej, uwzględniając stany skupienia :

Zn_(s) | Zn²⁺_(aq) || Cu²⁺_(aq) | Cu_(s)

Pojedyncza pionowa kreska | oznacza tak zwaną granicę faz, a więc w uproszczeniu możemy to przetłumaczyć jako granicę stanów skupienia. W końcu elektrodę cynkową (Zn_(s)) , która jest ciałem stałym zanurzamy w wodnym roztworze elektrolitu zawierającym jony Zn²⁺_(aq) . Dwie pionowe kreski || oznaczają mostek solny (klucz elektrolityczny), a więc reprezentują też to, że dwa półogniwa nie mają ze sobą bezpośredniego kontaktu.

To ćwiczymy pisanie schematów ogniwa.

Pamiętaj, że musisz zawsze ogarnąć jakie są wartości potencjałów standardowych z tablic maturalnych, żeby w ogóle ocenić, co się redukuje, a co utlenia. Dla srebra potencjał jest wyższy, wiec to ono się redukuje (katoda).

(K) : Ag⁺   + e^ー ⟶ Ag

(A) : Cu  ⟶ Cu²⁺ + 2e^ー

sumaryczna reakcja : 2Ag⁺   + Cu ⟶ Cu²⁺ + 2Ag

sumaryczna reakcja (cząsteczkowo) : 2AgNO₃ + Cu ⟶ Cu(NO₃)₂ + 2Ag

schemat ogniwa : Cu | Cu²⁺ || Ag⁺ | Ag

2. Elektroda obojętna

A jak zapisać schemat dla ogniwa, w którym przebiega sumaryczna reakcja :

MnO₄^ー  +  8H⁺  +  5Fe  ⟶ Mn²⁺ + 5Fe²⁺ + 4H₂O

Żelazo się utlenia, więc tam będzie anoda, katoda będzie na manganie, bo się redukuje. Połówkowe reakcje będą wyglądały następująco :

Katoda : MnO₄^ー  +  8H⁺ + 5e^ー  ⟶ Mn²⁺ + 4H₂O

Anoda : Fe  ⟶ Fe²⁺ +2e^ー

Półogniwo składa się z elektrody + elektrolitu. W przypadku żelaza jest super, elektrodą będzie metaliczne żelazo, a elektrolitem jakaś dobrze rozpuszczalna sól żelaza (II), np. FeCl₂. Ale co z manganem? Przecież nie mamy tam niczego, co by mogło służyć jako elektroda, bo nie mamy metalicznego manganu, tylko mangan w formie jonów Mn(II) oraz Mn (VII).

Wtedy właśnie potrzebujemy tak zwanej elektrody obojętnej. Służy ona tylko do przenoszenia elektronów, ale sama nie bierze udziału w reakcji (nie piszemy jej w żadnym równaniu reakcji), stąd jej nazwa : ,,obojętna”. Żelazo natomiast nie jest już elektrodą obojętną, bo w trakcie reakcji się zużywa (płytka żelaza znika na naszych oczach!)

Typowo rolę elektrody obojętne pełni platyna (Pt) oraz grafit (C). Schemat naszego ogniwa będzie teraz wyglądał następująco :

Fe | Fe²⁺ || MnO₄^ー , H⁺  , Mn²⁺ | Pt

W powyższej notacji pojawiła się nowość. Jeśli mamy reagenty w tym samym stanie skupienia, to oddzielamy je przecinkami. Zauważ, że w schemacie ogniwa trzeba także uwzględniać jony H⁺ czy OH^ー . Można to chociażby argumentować regułą przekory! Jeśli zwiększymy stężenie jonów H⁺ to równowaga reakcji przesunie się w prawo, ma zatem wpływ na samą reakcję!

Ok, to dla przećwiczenia. Jak zapisać schemat ogniwa dla takiej reakcji sumarycznej, która tam zachodzi?

4MnO₄^ー + 32H⁺  + 5Sn  ⟶ 4Mn²⁺ + 5Sn⁴⁺  + 16H₂O

Sn |Sn⁴⁺ || MnO₄^ー , H⁺ , Mn²⁺ | Pt

I jeszcze w drugą stronę, na podstawie schematu ogniwa napisz równanie reakcji przebiegającej w ogniwie.

Cd |Cd²⁺ || Fe³⁺ , Fe²⁺ | Pt

2Fe³⁺ +  Cd  ⟶  2Fe²⁺  + Cd²⁺

I jeszcze taki kompletny przykład :

Pt | Fe²⁺ |Fe³⁺ || IO₃^ー , H⁺ | I₂ | Pt

(K) : 2IO₃^ー + 12H⁺ + 10e^ー ⟶ I₂ + 6H₂O

(A) : Fe²⁺  ⟶ Fe³⁺ + e^ー

sumaryczna reakcja : 2IO₃^ー  + 12H⁺  + 10Fe  = I₂ + 10Fe³⁺  +  6H₂O

Jak widzisz, woda nie jest uwzględniana w schemacie ogniwa, ponieważ pełni ona rolę rozpuszczalnika.