Ogniwa galwaniczne: potencjał standardowy, SEM, anoda i katoda
Podstawa programowa wymaga, żebyś stosował pojęcia półogniwa, anody, katody i potencjału standardowego, pisał oraz rysował schemat ogniwa, zapisywał reakcje elektrodowe, obliczał SEM i opisywał korozję elektrochemiczną oraz współczesne źródła prądu stałego. Tak przygotujesz się do tej części matury z chemii na poziomie rozszerzonym.
Na maturze 2023–2026: w każdej z 4 sesji, zadań: 9.
W skrócie
najważniejsze w kilku zdaniach
Półogniwo to elektroda w roztworze, w którym są obie formy układu redoks; jego potencjał standardowy odnosisz do standardowej elektrody wodorowej, której przypisano 0,000V.
Na anodzie zachodzi utlenianie, na katodzie redukcja. Anoda jest biegunem ujemnym, katoda dodatnim, a elektrony płyną w przewodzie od anody do katody.
Z dwóch półogniw anodą jest to, które łatwiej oddaje elektrony, czyli ma niższy potencjał standardowy. SEM otrzymasz, odejmując potencjał anody od potencjału katody.
Schemat ogniwa piszesz od anody (po lewej) do katody (po prawej); klucz elektrolityczny oznaczasz podwójną kreską.
Metal o ujemnym potencjale standardowym wypiera wodór z kwasu nieutleniającego. Korozja żelaza to praca ogniwa, w którym żelazo jest anodą.
Egzamin maturalny z chemii na poziomie rozszerzonym trwa 180 minut; za cały arkusz można uzyskać 60 punktów. W arkuszu jest około 45 poleceń: zadania zamknięte (wielokrotnego wyboru, prawda–fałsz, na dobieranie) i otwarte (z luką, krótkiej i rozszerzonej odpowiedzi), w tym co najmniej jedno zadanie problemowe za 4–5 punktów. Podczas egzaminu możesz korzystać z „Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych”, linijki i kalkulatora naukowego.
Półogniwo i potencjał standardowy
Półogniwo składa się z elektrody zanurzonej w roztworze, w którym są obie formy układu redoks. Najprostsze tworzy metal w roztworze własnych jonów, na przykład żelazo w roztworze soli żelaza(II). Gdy żadna z form nie przewodzi prądu, jak w parze FeX3+/FeX2+, elektrodą jest platyna, która w reakcji nie uczestniczy. Dwa półogniwa połączone przewodem i kluczem elektrolitycznym tworzą ogniwo galwaniczne.
Potencjału pojedynczego półogniwa nie zmierzysz, więc mierzysz go względem wzorca. Wzorcem jest standardowa elektroda wodorowa, której przypisano 0,000V. Potencjał standardowy E∘ dotyczy warunków standardowych: temperatury 298 K, stężenia jonów 1mol⋅dm−3 i gazu pod ciśnieniem standardowym. Tablice CKE (s. 12) podają go dla redukcji, np. ZnX2++2eX−Zn: forma utleniona stoi po lewej stronie.
Potencjały ułożone rosnąco tworzą szereg elektrochemiczny. Im niższy potencjał, tym łatwiej metal się utlenia. Metale o potencjale ujemnym, jak cynk i żelazo, wypierają wodór z kwasów nieutleniających, a miedź i srebro o potencjale dodatnim – nie.
Półogniwo
E°, V
Zn²⁺/Zn
−0,762
Fe²⁺/Fe
−0,447
H⁺/H₂
0,000
Cu²⁺/Cu
+0,342
Ag⁺/Ag
+0,800
Budowa ogniwa i jego schemat
W pracującym ogniwie na anodzie zachodzi utlenianie, a na katodzie redukcja. Elektrony płyną w przewodzie od anody do katody, a jony wędrują przez klucz elektrolityczny, który zamyka obwód i wyrównuje ładunki w obu naczyniach. Anoda jest biegunem ujemnym, katoda dodatnim.
Schemat ogniwa zapisujesz od anody do katody. Pionowa kreska oznacza granicę faz, podwójna – klucz elektrolityczny. Dla półogniw żelazowego i srebrnego wygląda on tak: (−)Fe∣FeX2+∣∣AgX+∣Ag(+). Na anodzie zachodzi FeFeX2++2eX−, na katodzie AgX++eX−Ag. Drugie równanie mnożysz przez 2, bo liczba oddanych elektronów musi równać się liczbie przyjętych, i dodajesz: Fe+2AgX+FeX2++2Ag.
Półogniwo bez metalu ma elektrodę platynową. W schemacie piszesz ją na brzegu, a obie jonowe formy wewnątrz, oddzielone przecinkiem: (−)Pt∣SnX2+,SnX4+∥FeX3+,FeX2+∣Pt(+). Kolejność jonów w półogniwie nie ma znaczenia.
SEM, kierunek reakcji i stężenie jonów
SEM ogniwa w warunkach standardowych otrzymasz, odejmując potencjał anody od potencjału katody: SEM=EK∘−EA∘. Dla ogniwa z półogniw żelazowego i srebrnego wynosi ona 0,800−(−0,447)=1,247V. Wynik dodatni oznacza, że reakcja przebiega samorzutnie w zapisanym kierunku; gdy wyszedłby ujemny, anodę i katodę zamieniono miejscami.
Jeśli półogniwo nie jest standardowe, jego potencjał zależy od stężenia jonów. Zgodnie z równaniem Nernsta potencjał półogniwa metalicznego jest liniową funkcją logarytmu stężenia jonów metalu; przy 298 K E=E∘+n0,059Vlogc(MXn+) – tego wzoru nie znajdziesz w tablicach CKE. Dla NiX2+ o stężeniu 0,0100mol⋅dm−3 potencjał spada z −0,257V do −0,316V. Im większe stężenie jonów metalu, tym wyższy potencjał jego półogniwa.
Źródła prądu i korozja elektrochemiczna
Ogniwo odwracalne można ładować, bo prąd z zewnątrz odwraca jego reakcje elektrodowe; ogniwo nieodwracalne po zużyciu substratów jest wyczerpane. Przykład pierwszego to akumulator ołowiowy, w którym podczas rozładowania zachodzi Pb+PbOX2+4HX++2SOX4X2−2PbSOX4+2HX2O. Z tablic CKE: E∘(PbOX2/PbSOX4)=1,691V i E∘(PbSOX4/Pb)=−0,359V, więc jedno ogniwo daje 2,05V.
W ogniwie paliwowym substraty są stale doprowadzane z zewnątrz. W wodorowo-tlenowym ze środowiskiem kwasowym na anodzie zachodzi HX22HX++2eX−, na katodzie OX2+4HX++4eX−2HX2O, a sumarycznie 2HX2+OX22HX2O. SEM wynosi 1,229−0,000≈1,23V.
Korozja elektrochemiczna stali to praca ogniwa, w którym anodą jest żelazo, a katodą miejsce, gdzie redukuje się tlen z wilgoci: FeFeX2++2eX− oraz OX2+2HX2O+4eX−4OHX−. Dla E∘(OX2/OHX−)=0,401V SEM wynosi 0,848V. Elektrolitem jest woda z rozpuszczonymi solami.
Protektor to metal, który łatwiej niż żelazo oddaje elektrony: ma niższy od niego potencjał. Cynk (−0,762V) pracuje wtedy jako anoda i ulega utlenieniu w miejsce żelaza (−0,447V), także przy uszkodzonej powłoce. Powłoka z cyny (−0,138V) działa tylko, dopóki jest szczelna; gdy pęknie, utlenia się żelazo, bo ono ma niższy potencjał niż cyna.
Doświadczenie
obserwacje i wniosek
Doświadczenie z tego działu tak, jak opisuje je CKE: cel, odczynniki, obserwacje, równanie reakcji i wniosek.
Doświadczenie 1
Cel doświadczenia
Zbudowanie ogniwa cynkowo-miedziowego i pomiar jego napięcia.
Odczynniki
blaszka cynkowa, blaszka miedziana, wodne roztwory ZnSOX4 i CuSOX4 o stężeniu 1mol⋅dm−3, klucz elektrolityczny z roztworem KNOX3, woltomierz
Obserwacje
Woltomierz wskazuje napięcie bliskie 1,1 V. Po dłuższej pracy ogniwa masa blaszki cynkowej maleje, a masa blaszki miedzianej rośnie.
Cynk jest anodą, miedź katodą, a zmierzone napięcie jest bliskie SEM obliczonej z potencjałów standardowych (1,104V).
Doświadczenie 2
Cel doświadczenia
Zbadanie wpływu kontaktu z innym metalem na korozję żelaza.
Odczynniki
trzy gwoździe żelazne, pasek cynku, drut miedziany, wodny roztwór NaCl
Obserwacje
Po kilku dniach w probówkach I i III gwóźdź pokrył się brunatnym osadem rdzy. W probówce II gwóźdź nie zardzewiał, a na cynku pojawił się biały osad.
Równanie reakcji
anoda w probówkach I i III: FeFeX2++2eX−; anoda w probówce II: ZnZnX2++2eX−; katoda: OX2+2HX2O+4eX−4OHX−
Wniosek
Żelazo koroduje, gdy jest anodą: samo w elektrolicie albo w kontakcie z metalem o wyższym potencjale, jak miedź. W kontakcie z cynkiem, który ma niższy potencjał, anodą jest cynk, a żelazo jest chronione.
W minimalnym zestawie doświadczeń podstawy programowej:
16.budowa i pomiar napięcia ogniwa galwanicznego
17.badanie korozji metali
Pojęcia
półogniwo
Elektroda zanurzona w roztworze, w którym są obie formy układu redoks; połączone z drugim tworzy ogniwo.
anoda
Elektroda, na której zachodzi utlenianie; w ogniwie galwanicznym jest biegunem ujemnym.
katoda
Elektroda, na której zachodzi redukcja; w ogniwie galwanicznym jest biegunem dodatnim.
ogniwo galwaniczne
Układ dwóch półogniw, w którym samorzutna reakcja redoks wytwarza prąd elektryczny.
klucz elektrolityczny
Zwykle rurka z roztworem soli łącząca roztwory dwóch półogniw; zamyka obwód i wyrównuje ładunki.
potencjał standardowy półogniwa
Potencjał półogniwa w warunkach standardowych względem standardowej elektrody wodorowej.
szereg elektrochemiczny
Zestawienie układów redoks uporządkowane według rosnących potencjałów standardowych.
korozja elektrochemiczna
Niszczenie metalu w wyniku pracy ogniwa, w którym metal jest anodą.
Zadanie z matury
źródło: CKE
Prawdziwe zadanie z arkusza CKE, słowo w słowo, z materiałem źródłowym. Rozwiąż je, zanim zajrzysz do wyjaśnienia.
Zadanie z arkusza CKEmatura
Matura 2025, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 14.1
Zadanie 14.1. (0–2)
/2
W trzech standardowych półogniwach A, B i C ustalają się równowagi opisane poniższymi równaniami.
półogniwo A
MnOX4X−+8HX++5eX−MnX2++4HX2O
półogniwo B
BrX2+2eX−2BrX−
półogniwo C
CoX3++eX−CoX2+
Uzupełnij zdania. Zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie. Następnie napisz, z którym półogniwem (B albo C) w warunkach standardowych należy połączyć półogniwo A, aby podczas pracy ogniwa malało pH roztworu w tym półogniwie.
Aby podczas pracy ogniwa malało pH roztworu w półogniwie A, stężenie jonów HX+ musi się . Oznacza to, że w tym półogniwie zachodzi proces , a drugie półogniwo pełni funkcję .
Opisany warunek spełnia ogniwo zbudowane z półogniwa A połączonego z półogniwem .
Źródło: CKE, egzamin maturalny 2025, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-R0-100-2505), zadanie 14.1. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE
Odpowiedź według klucza CKE:ABBC
Wyjaśnienie od Kleksy
Spadek pH to wzrost stężenia jonów HX+. W równaniu półogniwa A jony HX+ stoją po stronie substratów, więc stężenie rośnie, gdy proces idzie z prawej strony na lewą: MnX2+ utlenia się do MnOX4X−. Półogniwo A pracuje więc jako anoda, a drugie jako katoda.
Katodą może być tylko półogniwo o wyższym potencjale niż MnOX4X−/MnX2+(1,507V). Półogniwo B, BrX2/BrX−, ma 1,066V, więc jest niższe i odpada. Półogniwo C, CoX3+/CoX2+, ma 1,92V i spełnia warunek.
Odpowiedź: A, B, B, C
Zadanie z arkusza CKEmatura
Matura 2023, chemia (poziom rozszerzony), zadanie 19.1
Zadanie 19.1. (0–1)
/1
Zbudowano ogniwo, którego schemat zapisany zgodnie z konwencją sztokholmską jest następujący:
(−)Co∣CoX2+∣∣HX+∣HX2 (g)∣Pt(+)Oblicz siłę elektromotoryczną opisanego ogniwa w warunkach standardowych.
SEM = …
V
Źródło: CKE, egzamin maturalny 2023, chemia, poziom rozszerzony (arkusz MCHP-R0-100-2305), zadanie 19.1. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE
Odpowiedź według klucza CKE:0,28
Wyjaśnienie od Kleksy
Schemat opisuje ogniwo, w którym anodą jest półogniwo kobaltowe, a katodą półogniwo wodorowe z platyną. Potencjał standardowy półogniwa wodorowego wynosi 0,000V, a półogniwa CoX2+/Co w tablicach CKE jest równy −0,28V.
SEM to różnica potencjałów katody i anody: 0,000V−(−0,28V)=0,28V. Wynik dodatni potwierdza, że ogniwo pracuje w zapisanym kierunku.
Odpowiedź: 0,28
Sprawdź się
sprawdzisz od razu
Zaznacz lub wpisz odpowiedź i sprawdź ją od razu: pod zadaniem zobaczysz wyjaśnienie. Jak ocenia CKE: w zadaniu obliczeniowym liczy się metoda, wynik z jednostką i poprawne zaokrąglenie — zwykle do trzech cyfr znaczących. Równanie reakcji musi być zapisane w formie, o którą prosi polecenie (cząsteczkowej, jonowej albo jonowej skróconej), z poprawnymi współczynnikami.
matura
Zadanie 9.
Potencjały półogniw zależą od stężeń reagentów biorących udział w procesach elektrochemicznych. Jeżeli metal Me jest zanurzony w roztworze zawierającym jony tego metalu o ładunku n+ i o stężeniu cMen+, to potencjał takiego półogniwa można obliczyć za pomocą równania Nernsta. Dla układu Men+/Me w temperaturze 298K to równanie ma postać:
E=E∘+n0,059⋅logcMen+
gdzie E∘ jest potencjałem standardowym redukcji tego półogniwa.
Na podstawie: M.J. Sienko, R.A. Plane, Chemia. Podstawy i zastosowania, Warszawa 2002.
Zadanie 9.2. (0–1)
/1
Ogniwo stężeniowe to ogniwo galwaniczne zbudowane z dwóch takich samych półogniw, tyle że różniących się stężeniem składnika biorącego udział w reakcjach elektrochemicznych.
Zbudowano ogniwo stężeniowe, w którym półogniwami były blaszki ze srebra o jednakowych masach, zanurzone w roztworach wodnych azotanu(V) srebra(I) o temperaturze 298K. Stężenie molowe roztworu znajdującego się w zlewce 1. było dziesięciokrotnie mniejsze niż roztworu w zlewce 2.
Oceń prawdziwość zdań. Wybierz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
W opisanym ogniwie anodą było półogniwo zbudowane z blaszki srebrnej, zanurzonej w roztworze AgNOX3 znajdującym się w zlewce 1.
Po zakończeniu pracy ogniwa masa blaszki wyjętej ze zlewki 2. była większa od masy blaszki ze zlewki 1.
Dokończ zdanie. Wybierz właściwą odpowiedź spośród podanych.
Siła elektromotoryczna ogniwa o schemacie (−)Ni∣NiX2+∣∣CuX2+∣Cu(+) w warunkach standardowych (E∘(NiX2+/Ni)=−0,257V,E∘(CuX2+/Cu)=0,342V) wynosi
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 2. (0–1)
/1
Przyporządkuj półogniwom budowę ich elektrody. Wybierz odpowiedź spośród A–D.
Elektroda
Ametal pokryty trudno rozpuszczalną solą
Bplatyna opłukiwana gazem
Cplatyna w roztworze dwóch form jonowych
Dmetal zanurzony w roztworze własnych jonów
Półogniwo
1. HX+/HX2
2. CuX2+/Cu
3. MnOX4X−/MnX2+ w środowisku kwasowym
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 3. (0–1)
/1
Dokończ zdanie. Wybierz odpowiedź A albo B oraz odpowiedź 1. albo 2.
Gwóźdź żelazny owinięty drutem niklowym zanurzono w wodnym roztworze chlorku sodu. Żelazo ponieważ
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
Zamiana anody z katodą. Anoda to półogniwo, które łatwiej oddaje elektrony, czyli ma niższy potencjał standardowy; zachodzi na niej utlenianie, a elektrony płyną od niej do katody.
Odejmowanie potencjałów bez znaków. Od potencjału katody odejmujesz potencjał anody z jego znakiem, np. 0,800−(−0,762), a nie 0,800−0,762.
Mnożenie SEM przez liczbę elektronów. Potencjał jest wielkością intensywną: po pomnożeniu równań półogniw przez współczynniki wartość SEM się nie zmienia.
Błędny schemat. Anoda stoi po lewej stronie, katoda po prawej, a podwójna kreska oznacza klucz elektrolityczny. W półogniwie redoks elektrodą jest platyna.
Kierunek strzałki ⇄ w równaniu pracującego ogniwa. Reakcja zachodzi w jedną stronę, więc piszesz →.
Metal o ujemnym potencjale wypiera wodór z kwasu nieutleniającego; protektor to metal o potencjale niższym niż chroniony.
Pytania i odpowiedzi
1.Skąd wiem, które półogniwo jest anodą?+
Odp.:Porównaj potencjały standardowe z tablic. Półogniwo o niższym potencjale chętniej oddaje elektrony, więc to ono jest anodą. Gdy jedno półogniwo ma potencjał ujemny, a drugie dodatni, anodą jest to z ujemnym. Gdy polecenie podaje reakcję w jednym półogniwie, anodą jest to, w którym zachodzi utlenianie, czyli reakcja idzie od formy zredukowanej do utlenionej.
2.Czy SEM zależy od liczby elektronów w równaniu?+
Odp.:Nie. SEM jest różnicą potencjałów, a potencjał nie zależy od tego, przez jaką liczbę pomnożysz równanie półogniwa. Liczba elektronów wpływa na pracę elektryczną i ilość przereagowanej substancji, ale nie na napięcie ogniwa. Dlatego dla Fe+2AgX+FeX2++2Ag SEM wynosi 1,247V, a nie dwa razy tyle.
3.Po co w ogniwie klucz elektrolityczny?+
Odp.:Zamyka obwód elektryczny: elektrony płyną przewodem, a jony przez klucz. Bez niego anoda zbierałaby ładunek dodatni (przybywa kationów), katoda ujemny (ubywa kationów) i przepływ prądu szybko by ustał. Klucz wyrównuje ładunki w obu naczyniach, nie mieszając roztworów.
4.Dlaczego cynk chroni żelazo, a cyna nie zawsze?+
Odp.:Ochronę daje metal o potencjale standardowym niższym od potencjału żelaza, bo to on oddaje elektrony. Cynk (−0,762V) spełnia ten warunek, więc utlenia się w miejsce żelaza nawet przy pęknięciu powłoki. Potencjał cyny (−0,138V) jest wyższy od potencjału żelaza (−0,447V), więc po pęknięciu powłoki to żelazo oddaje elektrony i koroduje.
5.Jak zapisać schemat ogniwa, gdy w półogniwie nie ma metalu?+
Odp.:Elektrodą jest platyna, która nie bierze udziału w reakcji. Piszesz ją na krawędzi schematu, a obie formy jonowe układu redoks wewnątrz, oddzielone przecinkiem, np. Pt∣SnX2+,SnX4+. Gdy w reakcji uczestniczą też jony HX+, dopisujesz je do tego samego półogniwa.
6.Czym różni się ogniwo odwracalne od nieodwracalnego?+
Odp.:W ogniwie odwracalnym reakcje elektrodowe można odwrócić, przepuszczając prąd z zewnątrz, więc ogniwo da się ładować; przykładem jest akumulator ołowiowy. W nieodwracalnym po zużyciu substratów reakcje nie wracają i ogniwo jest wyczerpane. W ogniwie paliwowym substraty dopływają z zewnątrz, dlatego pracuje, dopóki są dostarczane.
Serwis nie jest związany z Centralną Komisją Egzaminacyjną. Zadania oznaczone „CKE” pochodzą z arkuszy CKE; objaśnienia do nich i pozostałe zadania na stronie napisaliśmy sami.
Rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z matury z chemii (poziom rozszerzony) z maja 2026 roku – 180 minut, jak na egzaminie. Po oddaniu zobaczysz wynik i to, w którym dziale tracisz punkty.