Elektrochemia - ogniwa i równanie Nernsta na maturze

Elektrochemia to dział, na którym ludzie tracą punkty nie dlatego, że jej nie rozumieją, tylko dlatego, że mylą znaki i kierunki. Anoda, katoda, plus, minus, skąd lecą elektrony. Rozłóżmy to tak, żeby na arkuszu nie było już o czym myśleć.

Ogniwo galwaniczne, czyli co tu się właściwie dzieje

Ogniwo galwaniczne zamienia energię reakcji redoks na prąd. Masz dwie elektrody zanurzone w roztworach, połączone przewodnikiem i kluczem elektrolitycznym. Na jednej elektrodzie zachodzi utlenianie, na drugiej redukcja. To wszystko, reszta to konsekwencje.

Dwie zasady, które warto mieć wytatuowane:

Anoda to miejsce utleniania. W ogniwie galwanicznym jest ujemna.
Katoda to miejsce redukcji. W ogniwie galwanicznym jest dodatnia.

Elektrony w obwodzie zewnętrznym płyną zawsze od anody do katody, czyli od minusa do plusa. Brzmi odwrotnie do intuicji z fizyki, ale tu liczy się ruch elektronów, nie umowny kierunek prądu.

Ogniwo Daniella z pełnym opisem wymaganym na maturze: znaki elektrod, role, reakcje elektrodowe, kierunek przepływu elektronów, migracja jonów w kluczu i zapis schematu ogniwa.

Reakcje elektrodowe (połówkowe) w ogniwie Daniella:

anoda (utlenianie): Zn → Zn²⁺ + 2e⁻
katoda (redukcja): Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
sumarycznie: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Co dokładnie musi się znaleźć, żeby dostać punkt

To jest sedno, na którym uczniowie tracą najwięcej. Egzaminator nie punktuje „mniej więcej dobrze", tylko konkretne elementy. Poniżej, czego pilnują klucze CKE.

Zapis schematu ogniwa (konwencja sztokholmska)

Musi być w kolejności: anoda po lewej, katoda po prawej. Reszta zasad:

pojedyncza kreska | to granica faz (metal a roztwór),
podwójna kreska ‖ to klucz elektrolityczny (mostek solny),
po lewej znak (−) i półogniwo o niższym potencjale, po prawej (+) i wyższym potencjale.

(−) Zn | Zn²⁺ ‖ Cu²⁺ | Cu (+)

Częsty błąd za zero: odwrócona kolejność (katoda po lewej) albo pojedyncza kreska zamiast podwójnej w miejscu klucza.

Reakcje elektrodowe

Każde równanie musi mieć elektrony i być zbilansowane pod względem atomów i ładunku. CKE wymaga przypisania procesu do elektrody:

na anodzie utlenianie, elektrony po prawej stronie strzałki,
na katodzie redukcja, elektrony po lewej stronie strzałki.

Brak elektronów albo niezgodny ładunek to utrata punktu, nawet jeśli „wiadomo o co chodzi".

Kierunek przepływu elektronów

W obwodzie zewnętrznym (drucie) elektrony płyną od anody do katody, czyli od elektrody o niższym potencjale do wyższego. W ogniwie Daniella: od Zn do Cu. Jeśli pytają o jony, w kluczu kationy wędrują do katody, a aniony do anody.

SEM

Wynik liczony jako E° katody minus E° anody, dla ogniwa pracującego samorzutnie dodatni, podany z jednostką (V) i właściwą liczbą cyfr znaczących.

SEM, czyli skąd bierze się napięcie

Siłę elektromotoryczną liczysz z potencjałów standardowych. Wzór jest banalny, byle nie pomylić kolejności:

SEM = E°(katody) − E°(anody)

Dla ogniwa Daniella: E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V, E°(Zn²⁺/Zn) = −0,76 V.

SEM = 0,34 − (−0,76) = 1,10 V

Która elektroda jest katodą? Ta o wyższym potencjale standardowym. Wyższy potencjał chętniej się redukuje, więc to tam pójdzie redukcja. Reszta wynika sama.

Równanie Nernsta, gdy stężenia nie są standardowe

Potencjały standardowe są dla stężeń 1 mol/dm³. Kiedy stężenia są inne, używasz równania Nernsta, znanego też jako wzór Nernsta. W temperaturze 298 K (25 stopni) wygodna postać to:

E = E° − (0,059 / n) · log Q

gdzie n to liczba wymienianych elektronów, a Q to iloraz reakcji (produkty przez substraty, każde podniesione do współczynnika). Pełna postać z RT/nF jest tym samym, tylko 0,059 to już policzone RT·ln10 / F dla 25 stopni.

Zadanie rozwiązane

Oblicz potencjał półogniwa Cu²⁺/Cu, jeśli stężenie jonów Cu²⁺ wynosi 0,01 mol/dm³. E° = +0,34 V.

Krok 1. Reakcja redukcji: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu, czyli n = 2.

Krok 2. Dla półogniwa Q = 1 / [Cu²⁺] = 1 / 0,01 = 100.

Krok 3. Podstaw:

E = 0,34 − (0,059 / 2) · log 100
E = 0,34 − 0,0295 · 2
E = 0,34 − 0,059 = 0,281 V

Niższe stężenie jonów metalu, niższy potencjał. To ma sens, bo trudniej je zredukować, gdy jest ich mało.

Pułapki, które kosztują punkty

Znak w SEM. Zawsze katoda minus anoda. Jak wyjdzie ujemnie, najpewniej zamieniłeś elektrody miejscami.

Kierunek elektronów. Elektrony w drucie: od anody do katody. Prąd umowny: odwrotnie. Na maturze pytają zwykle o elektrony.

Q to nie K. W równaniu Nernsta wstawiasz aktualny iloraz Q, nie stałą równowagi (jeśli mylą Ci się Q i K, zajrzyj do wpisu o stałej równowagi). W stanie równowagi E = 0.

Jak opanujesz te trzy rzeczy plus szereg napięciowy, elektrochemia z najbardziej znienawidzonego działu robi się jednym z pewniejszych źródeł punktów. Reszta to liczenie. Jeśli chcesz przerobić elektrochemię z kimś, kto pokaże Ci dokładnie, gdzie egzaminator zastawia pułapki, zobacz nasze kursy z chemii do matury.

Chcesz przećwiczyć to jeszcze więcej pod okiem prowadzącego? Zobacz program Chemia rozszerzona, program całoroczny.