Chemia Liceum Gimnazjum Testy Matura

Powrót

Ogniwa galwaniczne

Ogniwo galwaniczne - układ złożony z dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie. Stanowią one dwa półogniwa. Jeśli połączymy je przewodnikiem to między nimi przepływa prąd elektryczny (strumień elektronów).
W ogniwach galwanicznych zachodzą samorzutne przemiany chemiczne, które powodują przepływ prądu elektrycznego.

Anoda – półogniwo, na którym zachodzi reakcja utleniania.
Katoda – półogniwo, na którym zachodzi reakcja redukcji.

Klucz elektrolityczny – przegroda lub naczynie wypełnione roztworem, zapewniające przepływ prądu elektrycznego między półogniwami (najczęściej r-r KCl w agarze).

schemat ogniwa galwanicznego
 Ogniwo Daniella
ogniwo danella
Półogniwo 1: Zn (elektroda cynkowa)
Elektrolit 1: roztwór ZnSO4
Półogniwo 2: Cu (elektroda miedziana)
Elektrolit 2: roztwór CuSO4.
Anoda (utlenianie)        
Zn → Zn2+ + 2e       
Atom Zn jest reduktorem (oddaje elektrony).
elektroda Zn roztwarza się i zmniejsza swoją masę.
Katoda (redukcja)          
Cu2+ + 2e → Cu    
Jon Cu2+ jest utleniaczem (pobiera elektrony).
Elektroda Cu zwiększa woją masę.

Od elektrody Zn płyną elektrony do elektrody Cu, gdzie są odbierane przez jony Cu2+.
Jony SO42− płyną do anody przez klucz elektrolityczny.
Reakcja sumaryczna:     Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
Zapis umowny: (–) Zn(s) | ZnSO4(aq)  || CuSO4(aq) | Cu(s) (+)
Zapis skrócony: Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu

 

Siła elektromotoryczna ogniwa

Na granicy faz metal-elektrolit wytwarza się tzw. podwójna warstwa elektryczna o przeciwnych znakach, która jest spowodowana przemieszczaniem się ładunków elektrycznych. Powoduje ona różnicę potencjałów elektrochemicznych między metalem a roztworem. Tą różnicę potencjałów nazywa się potencjałem półogniwa lub potencjałem elektrody.

Nie można zmierzyć potencjału samej pojedynczej elektrody. Można go wyznaczyć mierząc różnicę potencjału tej elektrody względem elektrody o potencjale E=0. Taką elektrodą jest standardowa elektroda wodorowa. Może ona działać jako
katoda: H+(aq) | H2(g) | Pt (+)
lub anoda (-) Pt | H2(g) | H+(aq)
Zachodzi na niej reakcja: H2(g) ⇄ 2H+ + 2e.

Elektroda badana - Elektroda wzorcowa
Me | Men+ || (Pt)H2 | H+

Siła elektromotoryczna ogniwa (SEM) – różnica względnych potencjałów elektrod w ogniwie niepracującym (przez ogniwo nie płynie prąd). Wyraża się ją w voltach (V).
Potencjał półogniwa zależy od: rodzaju substancji, stężenia (ciśnienia dla gazów) reagentów w roztworze, temperatury.
Siłę elektromotoryczną ogniwa wyznacza się ze wzoru: SEM = E0katody – E0anody
E0katody  to wyższy potencjał,  E0anody – niższy potencjał.

Standardowy potencjał półogniwa (E0) – siła elektromotoryczna ogniwa zbudowanego ze standardowego półogniwa wodorowego i ogniwa badanego, w którym stężenia reagentów wynoszą 1mol/dm3. Półogniwa metalowe ułożone są w szeregu elektrochemicznym.
Im niższa jest wartość E0 tym pierwiastek wykazuje większą zdolność do oddawania elektronów i jest silniejszym reduktorem – łatwiej tworzy kationy (utleniania się).
I odwrotnie. Im wyższa jest wartość E0 tym pierwiastek wykazuje większą zdolność do pobierania elektronów i jest silniejszym utleniaczem – łatwiej się redukuje.

Obliczanie napięcia ogniwa

Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
K(+) redukcja:  Cu2+ + 2e →  Cu         E0 = 0,34V
A(-) utlenianie: Zn →  Zn2+ + 2e–          E0 = -0,76V
SEM =  E0kat. - E0an.
SEM = 0,34V - (-0,76V) = 1,00V

Niektóre ogniwa galwaniczne w zastosowaniu

Podział ogniw:
• nieodwracalne - po wyczerpaniu nie nadają się do ponownego ładowania. Pracują do całkowitego wyładowania.
• odwracalne - regenerują się przez ponowne ładowanie
(N) • stężeniowe - SEM jest wywoływane róznicą stężeń. Pracują do wyrównania stężeń.

Akumulator kwasowy (ołowiowy) 2,23V - regenerowalne ogniwo stosowane w samochodach
Pb(s)|PbSO4(s)|H+(aq),HSO4(aq)|PbO2(s)|PbSO4(s)|Pb(s)
Procesy zachodzące podczas pracy akumulatora (rozładowanie)
A(-) utlenianie: Pb + HSO4 → PbSO4(s) + H+ + 2e
K(+) redukcja: PbO2 + HSO4 + 3H+ + 2e− → PbSO4(s) + 2H2O
Gęstość elektrolitu zmniejsza się, ponieważ zmniejsza się ilość kwasu a zwiększa ilość wody. Powstający osad PbSO4 zwiększa opór jednocześnie zmniejszając SEM.
 

Ogniwo suche 1,5V - jednorazowe, bez możliwości ponownego ładowania (R3, R6, R10, R14, R20, baterie płaskie 4,5V)
Zn(s)ZnCl2(aq) || NH4Cl(aq)|MnO(OH)(s)|grafit
A(-) utlenianie: Zn  → Zn2+ + 2e
K(+) redukcja: 2NH4+ + 2MnO2 + 2e  → Mn2O3 + 2NH3 + H2O
w bateriach alkalicznych:
A(-) utlenianie: Zn + 2OH → ZnO + H2O + 2e
K(+) redukcja:  2MnO2 + H2O + 2e  → Mn2O3  + 2OH

Akumulator niklowo-kadmowy (NiCd) 1,25V - regenerowalne ogniwo stosowane do zasilania urządzeń elektronicznych. 
Cd(s)|Cd(OH)2(s) | KOH(aq) |Ni(OH)2(s)| Ni(OH)2(s)|Ni(s)
A(-) utlenianie: Cd + 2OH → Cd(OH)2 + 2e
K(+) redukcja:  NiO2 + 2H2O + 2e  → Ni(OH)2  + 2OH

Ogniwa paliwowe

W ogniwach paliwowych następuje ciągła przemiana energii chemicznej paliwa na energię elektryczną. Paliwem w tych ogniwach może być np. H2, CH4, N2, CO, NH3. Mają one złożoną budowę. Najwięcej badań poświęca sie obecnie nad ogniwami, gdzie paliwem jest wodór. Ogniwa paliwowe to nowoczesne źródła energii a ich eksploatacja znacznie ogranicza emisję zanieczyszczeń.

Reakcje elektrodowe w przykładowym ogniwie PEM
W uproszczeniu ogniwo paliwowe, jak każde zbudowane jest z dwóch elektrod i elektrolitu.
Reakcja na anodzie: H2 → 2H+ + 2e 
W elektrolicie następuje transport jonów w kierunku katody.
Reakcja na katodzie: 4H+ + O2 + 4e  → 2H2O

Zastosowanie ogniw paliwowych:
- motoryzacja, transport lotniczy i morski
- źródło energii dla urządzeń przenośnych (telefony, laptopy, kamery, przenośne generatory)
- duże jednostki stacjonarne o mocach do kilku MW

Czy ogniwa paliwowe zastąpią w przyszłości konwencjonalne źródła energii? Na dzisiejszym etapie jest dużo barier technicznych i finansowych, które muszą zostać skutecznie pokonane. W dalszym ciągu prowadzona jest niezliczona ilość badań.

 


(N) Ogniwa stężeniowe z przenoszeniem jonów 

Ogniwa stężeniowe zbudowane są z takich samych elektrod zanurzonych w roztworach takiego samego elektrolitu, ale o różnych stężeniach.

(-) Ag | AgNO3 (c1) || AgNO3 (c2) | Ag (+)     gdzie c1 < c2 
A (-): Ag  →  Ag+ + e  
K (+): Ag+ + e  → Ag   

SEM wytwarza się podczas przeniesienia elektrolitu z roztworu o wyższym stężeniu do roztworu o niższym stężeniu. Umożliwia to porowata przegroda, która zapobiega mieszaniu roztworów a jednocześnie umożliwia dyfuzję jonów.

Istnieją również ogniwa stężeniowe bez przenoszenia jonów, w których nie bezpośredniego kontaktu roztworu półogniw i możliwości dyfuzji. Mają one bardziej złożoną naturę, która nie będzie tu omawiana.

Przekaż darowiznę
Załóż konto | Zaloguj się

Copyright 2011-2019Chem24.pl Ta strona internetowa wykorzystuje pliki cookies. Możesz określić metody zapisywania oraz dostępu do cookies w swojej przeglądarce internetowej lub w konfiguracji usługi.