Pytania powtórkowe do lekcji “Ogniwa”

<

Oto pytania, na które powinieneś/aś umieć odpowiedzieć po opanowaniu lekcji “Ogniwa”. Zapisz odpowiedzi na poniższe pytania w zeszycie, a następnie sprawdź swoje odpowiedzi z odpowiedziami zamieszczonymi poniżej. Pytania, na które nie znałeś/aś odpowiedzi zaznacz do powtórki i wróć do nich następnego dnia. Powodzenia! 🙂

Pytania

1. Czym jest ogniwo galwaniczne?
2. Czym jest półogniwo?
3. Czym jest elektroda?
4. Czym jest katoda? Jaki ma znak w ogniwie?
5. Jakie reakcje zachodzą na katodzie?
6. Jaki potencjał elektrochemiczny (wyższy czy niższy) ma katoda względem anody w ogniwie galwanicznym?
7. Czym jest anoda? Jaki ma znak w ogniwie?
8. Jakie reakcje zachodzą na anodzie?
9. Czym jest klucz elektrolityczny i jaka jest jego rola w ogniwie?
10. W którym kierunku przepływają elektrony w ogniwie galwanicznym?
11. W jakim kierunku płynie prąd w ogniwie galwanicznym?
12. Procesy zachodzące w ogniwach galwanicznych są wymuszone czy samorzutne?
13. Kiedy prąd nie płynie w ogniwie galwanicznym?
14. Jak tworzy się schemat ogniwa w konwencji Sztokholmskiej?
15. Czym jest SEM i jak się ją oblicza?
16. Czy wartość SEM może być ujemna?
17. Jaką jednostkę ma SEM?
18. Czym jest standardowa elektroda wodorowa (SEW)?
19. Czym jest elektroda odniesienia?
20. Czym jest potencjał standardowy półogniwa?
21. Jak oblicza się potencjał półogniwa w warunkach innych niż standardowe?
22. Czym różnią się ogniwa odwracalne od nieodwracalnych?
23. Czym jest korozja?
24. Jakie znasz rodzaje korozji i czym się one od siebie różnią?
25. Czym jest rdza?
26. Jakie czynniki wpływają na szybkość korozji?
27. Co sprzyja korozji?
28. Jak można chronić metale przed korozją?
29. Dlaczego wybór metalu, którym ma zostać pokryta powierzchnia, którą chcemy ochronić przed korozją, np. powierzchnia stali, zależy od tego, czy ten przedmiot będzie narażony na zarysowania? 

Odpowiedzi

1. Ogniwo galwaniczne jest układem, w którym w wyniku zachodzenia samorzutnych reakcji chemicznych, dochodzi do uwalniania energii w postaci prądu elektrycznego. W ogniwie galwanicznym energia chemiczna jest przekształcana w energię elektryczną.
2. Półogniwo to część ogniwa galwanicznego, w której zachodzi jedna z dwóch reakcji redoks – utlenianie lub redukcja. Może być to blaszka wykonana z metalu zanurzona w roztworze swojej soli. W przypadku ogniw gazowych tj. półogniwo wodorowe jest to zwykle platyna zanurzona do roztworu nasyconego pierwiastkiem w stanie gazowym, np. H₂, zawierającym jony tego pierwiastka (H⁺).
3. Elektroda to przewodnik, który umożliwia przepływ elektronów do lub z elektrolitu. Może być wykonana z różnych materiałów np. z metali.
4. Katoda to elektroda, na której zachodzi redukcja. W ogniwie galwanicznym katoda ma znak dodatni (+).
5. Na katodzie zachodzi reakcja redukcji.
6. Katoda ma wyższy potencjał elektrochemiczny względem anody w ogniwie galwanicznym.
7. Anoda to elektroda, na której zachodzi utlenianie. W ogniwie galwanicznym anoda ma znak ujemny (-).
8. Na anodzie zachodzi reakcja utleniania.
9. Klucz elektrolityczny to element, który umożliwia przepływ jonów pomiędzy półogniwami, zapobiegając jednocześnie mieszaniu się roztworów. Jego rola to zamykanie obwodu elektrycznego i utrzymanie równowagi jonowej – zapewnia roztworom elektroobojętność. Jest to zazwyczaj szklana rurka wypełniona roztworem KCl, zakończona z obu stron membraną półprzepuszczalną.
10. Elektrony przepływają od anody do katody.
11. Prąd w ogniwie galwanicznym płynie w tym samym kierunku, co elektrony, czyli od anody do katody. W wielu źródłach można jednak spotkać się z wersją, że prąd elektryczny płynie w kierunku przeciwnym do przepływu elektronów, jednak jest to błąd wynikający z tego, że naukowcy zanim odkryli/zbadali kierunek przepływu prądu elektrycznego, umówili się, że płynie on od plusa do minusa. Po wykonaniu serii eksperymentów, które miały miejsce dużo później, okazało się, że jest odwrotnie. 
12. Procesy w ogniwach galwanicznych są samorzutne.
13. Prąd nie płynie, gdy ogniwo osiąga równowagę, czyli gdy potencjały anody i katody się wyrównują.
14. Schemat ogniwa w konwencji Sztokholmskiej tworzy się następująco:

    • Strona lewa – zaczynamy od półogniwa anodowego (tam, gdzie zachodzi utlenianie)
    • Oddzielenie faz – każda granica faz (np. metal-roztwór) jest oddzielona pionową kreską „|”
    • Klucz elektrolityczny – klucz elektrolityczny oddzielający półogniwa zapisuje się jako „||”
    • Strona prawa – po prawej stronie zapisujemy półogniwo katodowe (tam, gdzie zachodzi redukcja)

15. SEM (Siła Elektromotoryczna) to różnica potencjałów między anodą a katodą w ogniwie galwanicznym. Oblicza się ją jako różnicę potencjałów katody i anody: SEM = E_k – E_a
16. SEM przyjmuje zawsze wartość dodatnią. Gdyby SEM miała wartość ujemną, to potencjał elektrody, która pełni rolę katody musiałby być niższy od potencjału elektrody anody. Ujemna wartość SEM oznaczałaby, że proces w takim ogniwie nie będzie zachodził spontanicznie, lecz wymaga zewnętrznego źródła energii, aby reakcja mogła przebiegać w tym kierunku.
17. SEM wyraża się w woltach (V).
18. Standardowa elektroda wodorowa (SEW) to elektroda odniesienia o potencjale przyjętym za równy zero (0 V) w stanie standardowym (298 K, 1000 hPa, C_H+=1 M). Jest to elektroda, na której zachodzi reakcja opisana równaniem: H₂ ⇌ 2H⁺ + 2e⁻.
19. Elektroda odniesienia to elektroda o znanym, stałym potencjale, służąca do pomiarów potencjałów innych elektrod.
20. To potencjał elektrody względem standardowej elektrody wodorowej, mierzone w stanie standardowym (25 °C, 1 M roztworu, 1000 hPa).
21. Potencjał półogniwa w innych warunkach oblicza się przy użyciu równania Nernsta.
22. W ogniwach odwracalnych np. w ogniwie Daniella, akumulatorach dochodzi do regeneracji materiału, z którego są wykonane elektrody. Jest to możliwe dzięki dostarczeniu prądu z zewnętrznego źródła. Zachodzą w nich reakcje odwracalne. W ogniwach nieodwracalnych tj. ogniwo Volty, nie dochodzi do regeneracji materiału, z którego są wykonane elektrody. Zachodzą reakcje nieodwracalne.
23. Korozja to proces stopniowego niszczenia metali na skutek reakcji chemicznych lub elektrochemicznych z otaczającym środowiskiem.
24. Korozja chemiczna zachodzi w cieczach, które nie są elektrolitami (ropa naftowa, benzen) oraz w suchych gazach (H₂S, CO, CO₂). Zachodzącym reakcjom nie towarzyszy przepływ prądu elektrycznego. Korozja elektrochemiczna – zachodzi na skutek tworzenia się mikroogniw na powierzchni metali tj. żelazo. Zachodzącym reakcjom towarzyszy przepływ prądu elektrycznego. Najpopularniejszym przykładem korozji elektrochemicznej jest rdzewienie żelaza.
25. Rdza to produkt korozji żelaza, powstający w wyniku reakcji żelaza z tlenem i wodą, który ma postać brunatnego osadu.
26. Szybkość korozji zależy od wilgotności, temperatury, obecności soli, składu metalu oraz czynników środowiskowych.
27. Korozji sprzyja woda, obecność soli, kwasowe środowisko, obecność substancji utleniających tj. tlen.
28. Metale można chronić przed korozją poprzez ograniczenie dostępu do czynników wywołujących korozję np. pokrywanie metali powłokami ochronnymi tj. farby, lakiery, smary, powłoki wykonane z tworzyw sztucznych, a także innych metali.
29. Gdy chroniony metal (np. żelazo będące głównym składnikiem stali) jest narażony na zarysowania można pokryć jego powierzchnię metalem mniej szlachetnym, czyli takim, który wchodzi w skład pary redoks o wyższej wartości potencjału standardowego. Po pierwsze taka powłoka izoluje chroniony metal od czynników zewnętrznych. Po drugie w razie zarysowania, gdy oba metale znajdą się w roztworze elektrolitu, np. w wodzie morskiej, w kałuży, w ziemi, to powstanie krótkozwarte ogniwo, w którym rolę katody (wyższy potencjał standardowy) będzie pełnić żelazo, a rolę anody (niższy potencjał standardowy) – metal zastosowany jako powłoka ochronna. Takim metalem może być np. cynk lub magnez. Innym sposobem ochrony metali przed korozją jest pokrywanie ich powłoką wykonaną z metalu bardziej szlachetnego, czyli takiego, który wchodzi w skład pary redoks o wyższym potencjale elektrochemicznym. Do takich metali należy m. in. miedź, srebro, nikiel czy cyna. Taka ochrona ma sens jedynie wtedy, gdy ta powłoka nie jest narażona na zarysowania. Ochrona żelaza pokrytego takimi metalami jest tak długo skuteczna, jak długo powłoka jest szczelna. Niestety w chwili jej uszkodzenia np. na skutek jej zarysowania, w obecności zanieczyszczeń i wilgoci dochodzi do korozji żelaza, która jest bardziej intensywna niż w przypadku braku powłoki ochronnej. Dzieje się tak z prostego powodu – metal bardziej szlachetny stanowiący powłokę ochronną pełni wtedy rolę katody (wyższy potencjał standardowy), a żelazo – anody (niższy potencjał standardowy) – żelazo ulega roztwarzaniu, a więc dochodzi do jego korozji.