Ogniwa Galwaniczne i Elektrochemia - Podstawy i Zastosowania

Budowa ogniwa galwanicznego składa się z dwóch półogniw połączonych kluczem elektrolitycznym. Każde półogniwo zawiera elektrodę metaliczną zanurzoną w roztworze jej soli. Na anodzie (elektroda ujemna) zachodzi utlenianie, a na katodzie (elektroda dodatnia) redukcja.

Definicja: Siła elektromotoryczna ogniwa (SEM) to różnica potencjałów między katodą a anodą w warunkach standardowych. Oblicza się ją ze wzoru: SEM = Ekatody - Eanody

Schemat ogniwa galwanicznego zapisuje się zgodnie z konwencją sztokholmską: $-$ Metal | Jon metalu || Jon metalu | Metal $+$. Na przykład dla ogniwa Daniella: $-$ Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu $+$

W ogniwie galwanicznym zachodzą następujące reakcje:

• Na anodzie: Zn → Zn2+ + 2e- (utlenianie)
• Na katodzie: Cu2+ + 2e- → Cu (redukcja)
• Reakcja sumaryczna: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

Przykład: Dla ogniwa Daniella:

• E°Cu2+/Cu = +0,34 V
• E°Zn2+/Zn = -0,76 V
• SEM = 0,34 - $-0,76$ = 1,10 V

Elektroliza i Procesy Elektrochemiczne

Elektroliza to proces wymuszony, w którym energia elektryczna powoduje przebieg reakcji chemicznych. W przeciwieństwie do ogniw galwanicznych, w elektrolizie elektrody są podłączone do zewnętrznego źródła prądu.

Podczas elektrolizy wodnych roztworów zachodzą następujące procesy:

• Na katodzie $-$: redukcja jonów H+ lub wody z wydzieleniem H2
• Na anodzie $+$: utlenianie anionów lub wody z wydzieleniem O2 lub innych produktów

Ważne: Kolejność wydzielania produktów elektrolizy zależy od:

• Na katodzie: położenia metalu w szeregu elektrochemicznym
• Na anodzie: rodzaju anionu (beztlenowy/tlenowy)

Jakie reakcje zachodzą w ogniwach galwanicznych? Zależy to od rodzaju elektrolitu:

• Dla roztworów: konkurencja między jonami metali a jonami H+/OH-
• Dla stopionych soli: wydzielanie tylko produktów z elektrolitu

Zastosowanie: Elektroliza znajduje praktyczne zastosowanie w:

• Otrzymywaniu metali (np. Al, Na)
• Galwanotechnice (pokrywanie powierzchni metalami)
• Oczyszczaniu metali (rafinacja)

Reakcje w ogniwach galwanicznych

Jaka reakcja zachodzi w ogniwie? W każdym ogniwie galwanicznym zachodzą trzy podstawowe reakcje:

1. Reakcja anodowa (utlenianie)
2. Reakcja katodowa (redukcja)
3. Reakcja sumaryczna ogniwa

Definition: Reakcja sumaryczna ogniwa to suma reakcji anodowej i katodowej, przedstawiająca całkowity proces zachodzący w ogniwie.

Jakie reakcje zachodzą w ogniwach galwanicznych? Zależy to od rodzaju elektrod i elektrolitów. Przykładowo:

Dla ogniwa Daniella:

• Anoda: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (utlenianie)
• Katoda: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (redukcja)
• Reakcja sumaryczna: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Example: Oblicz siłę elektromotoryczną ogniwa stężeniowego Zn: $-$ Zn | Zn²⁺ $c₁$ || Zn²⁺ $c₂$ | Zn $+$ SEM = $RT/nF$ * ln$c₂/c₁$, gdzie R - stała gazowa, T - temperatura, n - liczba elektronów, F - stała Faradaya

Schemat półogniwa galwanicznego przedstawia budowę pojedynczej elektrody wraz z otaczającym ją roztworem elektrolitu. Na przykład:

Zn | Zn²⁺ - półogniwo cynkowe Cu²⁺ | Cu - półogniwo miedziowe

Znajomość reakcji zachodzących w ogniwach jest kluczowa dla zrozumienia ich działania i obliczania siły elektromotorycznej ogniwa galwanicznego.

Budowa i działanie ogniw galwanicznych

Schemat ogniwa galwanicznego przedstawia jego podstawowe elementy i zachodzące w nim procesy. Ogniwo składa się z dwóch półogniw połączonych przewodnikiem elektrolitycznym (tzw. kluczem elektrolitycznym) oraz przewodnikiem metalicznym w obwodzie zewnętrznym.

Definicja: Ogniwo galwaniczne to urządzenie, w którym energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną w wyniku spontanicznych reakcji utleniania-redukcji.

Kluczowe elementy schematu ogniwa:

1. Anoda $-$ - elektroda, na której zachodzi utlenianie
2. Katoda $+$ - elektroda, na której zachodzi redukcja
3. Klucz elektrolityczny - umożliwia przepływ jonów między półogniwami
4. Przewodnik zewnętrzny - umożliwia przepływ elektronów

Highlight: Prawidłowe zapisanie schematu ogniwa jest kluczowe dla zrozumienia zachodzących w nim procesów elektrochemicznych.

Jak zapisać schemat ogniwa: $-$ Metal anody | Roztwór anodowy || Roztwór katodowy | Metal katody $+$

Na przykład dla ogniwa Daniella: $-$ Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu $+$

Example: Schemat ogniwa Daniella: $-$ Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu $+$

Jakie reakcje zachodzą w ogniwach galwanicznych? Na anodzie zachodzi utlenianie (oddawanie elektronów), a na katodzie redukcja (przyjmowanie elektronów). Sumaryczna reakcja ogniwa to suma reakcji anodowej i katodowej.