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.

  1. Ogniwo galwaniczne — samorzutna reakcja redoks jest rozdzielona przestrzennie; elektrony płyną przez drut (prąd), jony przez mostek solny. Anoda (−): utlenianie; katoda (+): redukcja. $\mathcal{E}^\circ = E^\circ(\text{kat}) - E^\circ(\text{an})$.

  2. Elektroliza — prąd zewnętrzny wymusza niesamorzutną reakcję. Katoda (−): redukcja; anoda (+): utlenianie. Prawo Faradaya: $m = M \cdot I \cdot t / (z \cdot F)$.

  3. Korozja — ogniwo galwaniczne in vivo na powierzchni metalu; aktywniejszy metal koroduje jako anoda. Ochrona: cynkowanie (anoda poświęcalna), ochrona katodowa, powłoki izolacyjne, pasywacja.

  4. [R] Szereg rozładowania + nadnapięcie — kolejność wydzielania jonów w elektrolizie; SO₄²⁻ na anodzie się nie wydziela; Cl₂ vs O₂ zależy od stężenia i elektrody.

  5. [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.