Zamknięcie działu 6
Słowniczek działu
| Termin | Definicja |
|---|---|
| Ogniwo galwaniczne | urządzenie przekształcające energię samorzutnej reakcji redoks w energię elektryczną |
| Anoda | elektroda, na której zachodzi utlenianie |
| Katoda | elektroda, na której zachodzi redukcja |
| SEM ($\mathcal{E}$) | napięcie ogniwa bez obciążenia; $\mathcal{E}^\circ = E^\circ(\text{kat}) - E^\circ(\text{an})$ |
| Mostek solny | łączy elektrolity obu półogniw; przepuszcza jony, nie miesza roztworów |
| Ogniwo Daniella | Zn ∣ ZnSO₄ ∥ CuSO₄ ∣ Cu; $\mathcal{E}^\circ = 1{,}10\ \text{V}$ |
| Elektroliza | reakcja redoks wymuszona prądem zewnętrznym; niesamorzutna |
| Elektroda inertna | grafit lub Pt; nie uczestniczy chemicznie w elektrolizie |
| Prawo Faradaya | $m = M \cdot I \cdot t / (z \cdot F)$; stała $F \approx 96,500\ \text{C/mol}$ |
| Galwanizacja | elektrolityczne nakładanie powłoki metalicznej |
| Korozja elektrochemiczna | niszczenie metalu przez lokalne ogniwa galwaniczne na powierzchni |
| Para galwaniczna | dwa metale w elektrolicie; aktywniejszy (niższy $E^\circ$) koroduje |
| Ochrona katodowa | chroniony metal jako katoda (prąd lub anoda poświęcalna) |
| Cynkowanie | powłoka Zn na stali; ochrona ofiarna nawet po zarysowaniu |
| [R] Szereg rozładowania | kolejność wydzielania jonów na elektrodzie; katoda: wyższy $E^\circ$ pierwsze |
| [R] Nadnapięcie | dodatkowe napięcie ponad $E^\circ$ do obserwowanej szybkości reakcji |
| [R] Ogniwo paliwowe | ogniwo galwaniczne z ciągłym dopływem paliwa H₂ i utleniacza O₂ |
| [R] Elektrolizer | urządzenie do elektrolizy wody (odwrotność ogniwa paliwowego) |
| [R] Akumulator Li-ion | ogniwo z interkalacją Li⁺, wielokrotnie ładowane |
W pigułce — dział 6
Elektrochemia = elektryczność ↔ chemia.
-
Ogniwo galwaniczne — samorzutna reakcja redoks jest rozdzielona przestrzennie; elektrony płyną przez drut (prąd), jony przez mostek solny. Anoda (−): utlenianie; katoda (+): redukcja. $\mathcal{E}^\circ = E^\circ(\text{kat}) - E^\circ(\text{an})$.
-
Elektroliza — prąd zewnętrzny wymusza niesamorzutną reakcję. Katoda (−): redukcja; anoda (+): utlenianie. Prawo Faradaya: $m = M \cdot I \cdot t / (z \cdot F)$.
-
Korozja — ogniwo galwaniczne in vivo na powierzchni metalu; aktywniejszy metal koroduje jako anoda. Ochrona: cynkowanie (anoda poświęcalna), ochrona katodowa, powłoki izolacyjne, pasywacja.
-
[R] Szereg rozładowania + nadnapięcie — kolejność wydzielania jonów w elektrolizie; SO₄²⁻ na anodzie się nie wydziela; Cl₂ vs O₂ zależy od stężenia i elektrody.
-
[R] Nowoczesne ogniwa — ogniwo paliwowe: ciągły prąd z H₂ + O₂, produkt H₂O, sprawność do 70%; akumulator Li-ion: interkalacja, wielokrotne ładowanie, gęstość energii 150–300 Wh/kg.
Sprawdzian działowy
1. Zbuduj schemat ogniwa Zn | ZnSO₄ ∥ AgNO₃ | Ag. Wskaż anodę i katodę, napisz półreakcje, oblicz $\mathcal{E}^\circ$ ($E^\circ(\text{Ag}^+/\text{Ag}) = +0{,}80\ \text{V}$, $E^\circ(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0{,}76\ \text{V}$).
Sprawdź odpowiedź
Anoda: Zn ($-0{,}76\ \text{V}$); katoda: Ag ($+0{,}80\ \text{V}$). Anoda: $\text{Zn} \to \text{Zn}^{2+} + 2e^-$; katoda: $2\text{Ag}^+ + 2e^- \to 2\text{Ag}$. $\mathcal{E}^\circ = +0{,}80 - (-0{,}76) = +1{,}56\ \text{V}$.
2. Prąd 2 A płynął przez elektrolizer z CuSO₄ przez 45 min. Ile gramów Cu wydzieliło się na katodzie? ($M = 63{,}5\ \text{g/mol}$, $z = 2$, $F = 96,500\ \text{C/mol}$).
Sprawdź odpowiedź
$Q = 2 \cdot 45 \cdot 60 = 5400\ \text{C}$; $m = 63{,}5 \cdot 5400 / (2 \cdot 96,500) \approx 1{,}78\ \text{g}$.
3. Żelazna śruba jest przymocowana do miedzianej rury w mokrej ścianie. Wyjaśnij, co będzie korodować i dlaczego.
Sprawdź odpowiedź
Żelazo ($E^\circ = -0{,}44\ \text{V}$) < miedź ($+0{,}34\ \text{V}$). Para galwaniczna: żelazo = anoda → koroduje. Wilgoć = elektrolit. Śruba (żelazo) będzie szybko rdzewieć; rura miedziana — chroniona jako katoda. Wniosek: nigdy nie łączyć bez izolatora stali z miedzią.
4. [R] Wyjaśnij, dlaczego przy elektrolizie roztworu NaCl produkt na anodzie zmienia się z Cl₂ (stężony) na O₂ (rozcieńczony).
Sprawdź odpowiedź
Przy dużym stężeniu Cl⁻: niższy efektywny potencjał utleniania jonów chlorkowych, duże stężenie Cl⁻ przy elektrodzie → Cl₂. Przy małym stężeniu: woda „wygrywa" nad zredukowaną ilością Cl⁻; efektywny potencjał H₂O/O₂ staje się niższy niż Cl⁻ → O₂. Nadnapięcie O₂ jest duże na graficie, ale przy braku Cl⁻ woda nie ma konkurencji.
5. [R] Porównaj ogniwo paliwowe H₂–O₂ z akumulatorem Li-ion pod kątem: zasady działania, możliwości „ładowania" i ekologiczności.
Sprawdź odpowiedź
Ogniwo paliwowe: ciągłe utlenianie H₂ na anodzie, redukcja O₂ na katodzie; „ładowanie" = tankowanie H₂; produkt: H₂O (czyste), ale ekologiczność zależy od źródła H₂ (szary vs zielony). Akumulator Li-ion: interkalacja Li⁺ podczas ładowania/rozładowania; ładowanie elektryczne (85–95% sprawność rundy); ślad środowiskowy głównie z wydobycia Co i Li. Oba są zero-emisyjne w użytkowaniu — różnią się łańcuchem dostaw energii.