Elektrochemia na maturze z chemii: ogniwa, SEM i elektroliza

Dział zaczyna się od półogniwa. Najprostsze półogniwo to blaszka metalu zanurzona w roztworze soli tego samego metalu. Bywa też tak, że w roztworze są obok siebie dwie drobiny zawierające ten sam pierwiastek na różnych stopniach utlenienia, a elektrony odbiera albo dostarcza obojętna elektroda, zwykle platynowa. Każdemu półogniwu przypisuje się potencjał standardowy, wyznaczony względem półogniwa wodorowego. Metale ułożone według tego potencjału tworzą szereg elektrochemiczny, z którego da się przewidzieć wynik wielu doświadczeń. Metal o niższym potencjale chętniej oddaje elektrony, więc wypiera z roztworów soli metale o potencjale wyższym. Metale o potencjale ujemnym wypierają wodór z kwasów pozbawionych właściwości utleniających, a metale o potencjale dodatnim z takimi kwasami nie reagują. Pierwsza grupa zadań sprawdza właśnie to: który metal zareaguje z podanym roztworem i dlaczego. Gdy wyparty metal osiada na płytce, zadanie pyta też o jej masę. Zmienia się ona o różnicę między masą metalu, który się na płytce osadził, a masą metalu, który z niej przeszedł do roztworu, a stosunek ich liczby moli wynika z równania reakcji.

Druga grupa dotyczy ogniwa galwanicznego, czyli dwóch półogniw połączonych przewodnikiem i kluczem elektrolitycznym. Klucz przewodzi jony między roztworami, zamyka obwód i nie pozwala roztworom się wymieszać. Bez niego roztwory szybko przestają być obojętne elektrycznie: przy anodzie przybywa kationów, przy katodzie ich ubywa, i prąd przestaje płynąć. Anodą jest półogniwo o niższym potencjale. Na nim zachodzi utlenianie, a uwolnione elektrony płyną przewodem do katody, gdzie zachodzi redukcja. W zapisie schematu anoda stoi z lewej strony, katoda z prawej, a podwójna kreska między nimi oznacza klucz. Polecenia proszą o taki schemat, o równania reakcji na obu elektrodach i o równanie sumaryczne. W tym ostatnim liczba elektronów oddanych na anodzie musi się zgadzać z liczbą elektronów przyjętych na katodzie, dlatego współczynniki przy jonach bywają różne, gdy jony mają różne ładunki. W ogniwie z dwiema blaszkami metali z tych samych równań wynika też zmiana ich masy: anoda traci metal, który przechodzi do roztworu, a na katodzie metal z roztworu się osadza.

Trzecia grupa to siła elektromotoryczna, w skrócie SEM. W warunkach standardowych liczy się ją, odejmując potencjał anody od potencjału katody, więc dla ogniwa, które działa, zawsze wychodzi dodatnia. Potencjały uczeń bierze z tablic, z których korzysta na egzaminie, albo z treści zadania. Zadanie potrafi też iść w drugą stronę: podaje SEM i potencjał jednego półogniwa, a szukany jest potencjał drugiego, który trzeba potem odnaleźć w tablicy. Z tego samego porównania potencjałów wynika kierunek reakcji utleniania i redukcji. Utleniaczem jest postać utleniona z półogniwa o wyższym potencjale, reduktorem postać zredukowana z półogniwa o niższym. Dzięki temu da się przewidzieć, czy reakcja między dwiema takimi parami zajdzie samorzutnie, jeszcze zanim zapisze się jej równanie.

Czwarta grupa wychodzi poza warunki standardowe. Potencjał półogniwa zależy od stężenia jonów w roztworze, dlatego dwa półogniwa z tego samego metalu, zanurzone w roztworach o różnym stężeniu, też tworzą ogniwo. Nazywa się je ogniwem stężeniowym. Wzór opisujący tę zależność zadanie podaje zwykle w informacji wstępnej, a uczeń ma z niego skorzystać: rozstrzygnąć, które półogniwo ma wyższy potencjał, albo ocenić, jak zmieni się SEM po rozcieńczeniu jednego z roztworów. Podobnie zachowują się elektrody porównawcze, na przykład chlorosrebrowa, w której o potencjale decyduje stężenie jonów chlorkowych w otaczającym ją roztworze.

Osobno sprawdzana jest korozja. Żelazo rdzewieje tylko wtedy, gdy ma dostęp jednocześnie do wody i do tlenu. W miejscu, w którym styka się z metalem o wyższym potencjale, powstaje coś w rodzaju bardzo małego ogniwa, a żelazo jest w nim anodą i ulega utlenieniu. Metal o niższym potencjale działa odwrotnie: połączony z żelazem sam staje się anodą i niszczeje zamiast niego. Dlatego powłoka z cynku chroni stal także po zarysowaniu, a zarysowana powłoka z cyny rdzewienie żelaza przyspiesza.