Ogniwa i szereg napięciowy – zadania maturalne z chemii

9
zadań: 21
poleceń: 9
poleceń otwartych z oceną: 1
lekcji interaktywnych

Ogniwa galwaniczne i szereg napięciowy metali

Ogniwo Daniella — Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu — Ogniwo Daniella — *Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu*

### Wprowadzenie do ogniw galwanicznych Ogniwo galwaniczne to układ, w którym zachodząca **samorzutnie** reakcja utleniania i redukcji (redoks) staje się źródłem energii elektrycznej. Klasyczne ogniwo składa się z dwóch półogniw zanurzonych w elektrolitach, połączonych na zewnątrz przewodem metalicznym (obwód zewnętrzny, przepływ elektronów), a wewnątrz tzw. **kluczem elektrolitycznym** (obwód wewnętrzny, przepływ jonów). ### Anoda i Katoda w ogniwie W ogniwach galwanicznych elektrody mają ściśle określone role i ładunki (inaczej niż w elektrolizerach!): * **Anoda (biegun ujemny, –)**: Półogniwo, w którym zachodzi proces **utleniania** (metal oddaje elektrony i roztwarza się). Budowana jest zawsze z metalu o **niższym potencjale standardowym** (aktywniejszego). * **Katoda (biegun dodatni, +)**: Półogniwo, w którym zachodzi proces **redukcji** (kationy z roztworu pobierają elektrony i osadzają się w postaci metalu). Budowana z metalu o **wyższym potencjale standardowym** (mniej aktywnego). Klucz elektrolityczny zamyka obwód. Aby roztwory zachowały obojętność elektryczną (podczas gdy jony w nich ubywają lub przybywają), jony dodatnie (kationy) z klucza pędzą ku katodzie, a aniony ku anodzie. ### Szereg napięciowy i przewidywanie reakcji Szereg napięciowy to zestawienie metali uszeregowanych według rosnącego potencjału standardowego (E°). Im mniejszy (bardziej ujemny) potencjał, tym silniejszym reduktorem jest metal. Złote reguły maturalne: 1. **Metal wypiera metal**: Metal o niższym E° wypiera (redukuje) z roztworu kationy metalu o wyższym E°. 2. **Kwas nieutleniający**: Tylko metale o potencjale ujemnym (E° < 0,00 V) mogą redukować jony H⁺ do gazowego H₂ z kwasów, takich jak HCl czy rozcieńczony H₂SO₄. ### Obliczanie SEM i schemat ogniwa Siłę elektromotoryczną ogniwa oblicza się różnicą potencjałów elektrod: **SEM = E°(katody) – E°(anody)** Dla sprawnie działającego ogniwa (reakcja samorzutna), SEM > 0. **Zapis schematyczny** (od anody do katody): Anoda | Elektrolit anodowy || Elektrolit katodowy | Katoda np. Zn | Zn²⁺ || Cu²⁺ | Cu ### Przykład obliczeniowy Zbudowano ogniwo z elektrod cynkowej i miedzianej. E°(Zn²⁺/Zn) = –0,76 V, E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V. Oblicz SEM. *Rozwiązanie:* Ponieważ E° Zn jest mniejsze od E° Cu, anoda = cynk, katoda = miedź. SEM = 0,34 V – (–0,76 V) = 1,10 V.

Zapamiętaj

Anoda to elektroda, na której zachodzi UTLENIANIE i jest biegunem UJEMNYM.
Katoda to elektroda, na której zachodzi REDUKCJA i jest biegunem DODATNIM.
Metal o niższym (bardziej ujemnym) potencjale roztwarza się (utlenia) zmuszając metal szlachetniejszy do osadzania (redukcji).
SEM = E(katody) - E(anody). Musi być dodatnia dla zachodzących samorzutnie procesów w ogniwie.

Typowe błędy

Mylenie znaku anody i katody – w ogniwie galwanicznym anoda jest minusem (-), a podczas elektrolizy anoda podłączona jest pod plus (+). Reguła Anoda=Utlenianie jest zawsze zachowana.
Odejmowanie wartości ujemnych z błędnym znakiem przy liczeniu SEM (np. 0,34 - 0,76 zamiast 0,34 - (-0,76)).
Błędne kierowanie jonów z klucza elektrolitycznego – kationy wędrują do katody, aniony do anody.

Wymagania podstawy programowej

VIII.2.1 Przewiduje przebieg reakcji metali z roztworami soli i kwasów na podstawie szeregu napięciowego.
VIII.2.2 Zapisuje schemat ogniwa galwanicznego i równania reakcji elektrodowych; oblicza SEM ogniwa.

Przykładowe zadania

Zadanie 1

Uczeń miał do dyspozycji blaszki wykonane z miedzi (Cu) i srebra (Ag) oraz wodne roztwory o stężeniu 1 mol/dm³: siarczanu(VI) miedzi(II) (CuSO₄) oraz azotanu(V) srebra (AgNO₃). Potencjały standardowe wynoszą odpowiednio: E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V, E°(Ag⁺/Ag) = +0,80 V.

1.1 Zaprojektuj doświadczenie pozwalające wykazać, że miedź jest metalem aktywniejszym od srebra. Wybierz odpowiedni metal i roztwór soli. Zapisz równanie zachodzącej reakcji w formie jonowej skróconej. (2 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: Doświadczenie: Blaszkę miedzianą należy zanurzyć w roztworze azotanu(V) srebra (AgNO₃). Równanie reakcji: Cu + 2Ag⁺ → Cu²⁺ + 2Ag
Zgodnie z szeregiem napięciowym, metal o niższym potencjale standardowym (miedź) redukuje jony metalu o wyższym potencjale (srebro). Reakcja zajdzie po zanurzeniu miedzianej blaszki w roztworze AgNO₃.
1.2 Z podanych materiałów uczeń zbudował standardowe ogniwo galwaniczne miedziowo-srebrne. Oblicz i wpisz siłę elektromotoryczną (SEM) tego ogniwa: ___ V. (1 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: 0.46
SEM oblicza się jako różnicę potencjału standardowego katody i anody. Katodą jest srebro (+0,80 V), a anodą miedź (+0,34 V). SEM = 0,80 - 0,34 = 0,46 V.
1.3 Podczas pracy ogniwa miedziowo-srebrnego jony azotanowe(V) z klucza elektrolitycznego (zbudowanego np. z KNO₃) przemieszczają się do: (1 pkt)
- A. półogniwa miedziowego
- B. półogniwa srebrnego
- C. obu półogniw w równej ilości
- D. nie opuszczają klucza elektrolitycznego
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: A. półogniwa miedziowego
Aniony przemieszczają się zawsze w kierunku półogniwa anodowego (w tym przypadku miedziowego), aby zneutralizować nadmiar powstających kationów (Cu²⁺).

Zadanie 2

Ogniwo Daniella zbudowane jest z półogniwa cynkowego (anoda) i półogniwa miedziowego (katoda) połączonych kluczem elektrolitycznym. Potencjały standardowe: E°(Zn²⁺/Zn) = –0,76 V, E°(Cu²⁺/Cu) = +0,34 V. Do obliczeń przyjmij masy molowe: M(Cu) = 64 g/mol, M(Zn) = 65 g/mol.

2.1 Oceń prawdziwość poniższych zdań dotyczących pracującego ogniwa Daniella. (1 pkt)
- 1. Elektrony w zewnętrznym obwodzie przepływają od elektrody cynkowej do miedziowej. (P/F)
- 2. Podczas pracy ogniwa masa elektrody cynkowej stopniowo rośnie. (P/F)
- 3. Na elektrodzie miedziowej zachodzi proces redukcji, w wyniku którego z roztworu ubywa jonów Cu²⁺. (P/F)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: 1 – P, 2 – F, 3 – P
Elektrony zawsze płyną obwodem zewnętrznym od anody do katody (od Zn do Cu). Na anodzie (Zn) zachodzi proces utleniania, czyli roztwarzanie blaszki, więc jej masa maleje.
2.2 Oblicz zmianę masy elektrody cynkowej, jeżeli po pewnym czasie pracy ogniwa masa elektrody miedziowej wzrosła o 3,2 g. Zapisz obliczenia. (2 pkt)
Pokaż odpowiedź
Odpowiedź: Masa wydzielonej miedzi: n(Cu) = 3,2 g / 64 g/mol = 0,05 mol. Zgodnie ze stechiometrią reakcji Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu, n(Zn) = n(Cu) = 0,05 mol. Masa roztworzonego cynku: m(Zn) = 0,05 mol × 65 g/mol = 3,25 g. Odpowiedź: Masa elektrody cynkowej zmalała o 3,25 g.
Reakcja: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Z równania wynika, że na 1 mol wydzielonej miedzi (64 g) przypada 1 mol roztworzonego cynku (65 g). Z proporcji wyliczamy masę Zn.

Ćwicz ten dział z oceną – Premium Załóż darmowe konto