MCHP-R0-100-2505 • Otwarte krótkie • 3 pkt • Trudność: ★★★★☆

Zadanie 14

Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony

Wymaganie:

VIII. Reakcje utleniania i redukcji. Zdający: 2) wskazuje utleniacz, reduktor, proces utleniania i redukcji w podanej reakcji; 6) przewiduje kierunek przebiegu reakcji utleniania-redukcji na podstawie wartości potencjałów standardowych półogniw […]. IX. Elektrochemia. Ogniwa. Zdający: 1) stosuje pojęcia: półogniwo, anoda, katoda, ogniwo galwaniczne, klucz elektrolityczny, potencjał standardowy półogniwa […], SEM; 2) pisze i rysuje schemat ogniwa odwracalnego i nieodwracalnego; 3) pisze równania reakcji zachodzących na elektrodach […] ogniwa galwanicznego […]; projektuje ogniwo, w którym zachodzi dana reakcja […] (14.2).

Treść zadania

W trzech standardowych półogniwach A, B i C ustalają się równowagi opisane poniższymi równaniami:

półogniwo A: $M n O_{4}^{-} + 8 H^{+} + 5 e^{-} ⇌ M n^{2 +} + 4 H_{2} O$
półogniwo B: $B r_{2} + 2 e^{-} ⇌ 2 B r^{-}$
półogniwo C: $C o^{3 +} + e^{-} ⇌ C o^{2 +}$

Zadanie 14.1. (0–2)

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 H⁺ musi się (zwiększać / zmniejszać). Oznacza to, że w tym półogniwie zachodzi proces (redukcji / utleniania), a drugie półogniwo pełni funkcję (anody / katody).

Opisany warunek spełnia ogniwo zbudowane z półogniwa A połączonego z półogniwem ............

Zadanie 14.2. (0–1)

Uzupełnij poniższy zapis tak, aby powstał schemat ogniwa galwanicznego zbudowanego z półogniw B oraz C generującego prąd w warunkach standardowych.

(−) Pt | ............ || ............ | Pt (+)

Źródło: arkusz CKE MCHP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF

Rozwiązanie

14.1. Aby pH malało → [H⁺] musi się ZWIĘKSZAĆ (mniejsze pH = więcej H⁺).

Analiza półogniwa A:

Reakcja redukcji (w prawo): MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻ → Mn²⁺ + 4 H₂O. H⁺ zużywane → stężenie maleje → pH rośnie.
Reakcja utleniania (w lewo): Mn²⁺ + 4 H₂O → MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻. H⁺ powstaje → stężenie rośnie → pH maleje ✓.

Aby pH malało, w półogniwie A musi zachodzić UTLENIANIE → A działa jako anoda.

Drugie półogniwo pełni funkcję KATODY (zachodzi redukcja).

Wybór: B czy C?

Aby A działało jako anoda (utlenianie zachodzi spontanicznie), drugie półogniwo musi mieć WYŻSZY potencjał standardowy (E°), by "ciągnęło" elektrony.

Potencjały standardowe z karty „Wybrane wzory i stałe fizykochemiczne”:

E°(A) = +1,507 V.
E°(B) = +1,066 V (NIŻSZY niż A) — nie spełnia warunku.
E°(C) = +1,92 V (WYŻSZY niż A) → spełnia warunek ✓.

→ Należy połączyć półogniwo A z półogniwem C.

W ogniwie A-C:

Anoda (A): Mn²⁺ + 4 H₂O → MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻ (utlenianie, [H⁺] rośnie → pH maleje ✓).
Katoda (C): Co³⁺ + e⁻ → Co²⁺ (redukcja).
SEM = E°(C) - E°(A) = 1,92 - 1,507 ≈ +0,41 V > 0 ✓.

14.2. Ogniwo B + C — porównanie E°:

E°(B) = +1,066 V (niższy).
E°(C) = +1,92 V (wyższy).

Półogniwo o wyższym E° = katoda (+). Niższe E° = anoda (-).

Anoda B (-): 2 Br⁻ → Br₂ + 2 e⁻.
Katoda C (+): Co³⁺ + e⁻ → Co²⁺.

Schemat ogniwa (z elektrodami Pt jako obojętne, dla form rozpuszczonych):

$(-) Pt ∣ Br^{-} (a q), Br_{2} ∣∣ Co^{3 +} (a q), Co^{2 +} (a q) ∣ Pt (+)$

SEM = E°(C) - E°(B) = 1,92 - 1,066 ≈ +0,85 V ✓.

Zasady oceniania uznają też zapis (−) Pt | Br⁻ | Br₂ || Co³⁺, Co²⁺ | Pt (+) oraz dowolną kolejność Br⁻, Br₂ i Co³⁺, Co²⁺.

Typowy błąd / pułapka

Pułapka 14.1 — kierunek zmiany pH. pH MALEJE = [H⁺] ROŚNIE. (pH = -log[H⁺]).

Pułapka 14.1 — kierunek reakcji. Standardowe równanie półogniwa pisze się jako redukcja. Reakcja zachodzi w przeciwną stronę (utlenianie) gdy półogniwo działa jako anoda.

Pułapka 14.1 — wybór półogniwa. Aby A działało jako anoda (utlenianie), drugie półogniwo musi mieć wyższy E° (przyciąga elektrony jako katoda). C (1,92 V) > A (1,507 V), więc C ✓.

Pułapka 14.2 — schemat ogniwa. Konwencja: po lewej anoda (-), po prawej katoda (+). Jedna kreska „|” = granica faz, podwójna „||” = klucz elektrolityczny. Pt jest obojętna (elektroda inertna dla redoks w roztworze).

Strona arkusza CKE z trescia zadania

Zadanie 14 - ogniwa galwaniczne — Strona 19 arkusza CKE 2025 PR chemia - zadanie 14 (półogniwa A, B, C, ogniwa). Na podstawie: CKE 2025 Oryginalny PDF CKE, str. 19

Klucz pojęciowy — ogniwo galwaniczne

Ogniwo galwaniczne = urządzenie zamieniające energię chemiczną na elektryczną (spontaniczne redoks).

Element	Funkcja
Anoda (-)	Elektroda utleniania. Oddaje elektrony do obwodu zewnętrznego
Katoda (+)	Elektroda redukcji. Przyjmuje elektrony z obwodu
Klucz elektrolityczny	Pozwala na ruch jonów między półogniwami (utrzymuje neutralność)
SEM (E_ogn)	= E°(katoda) - E°(anoda). Dodatnia → spontaniczne ogniwo
Reguła	Półogniwo o wyższym E° = katoda. Niższym = anoda

Mechanizm: dlaczego A z C, nie z B?

Warunek: w półogniwie A pH ma maleć → [H⁺] rosnąć → musi zachodzić utlenianie: Mn²⁺ + 4 H₂O → MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻.

A jest anodą w tym ogniwie. Anoda = niższy potencjał spośród pary półogniw.

Test A vs B: E°(A)=1,507 V, E°(B)=1,066 V. A > B → A byłoby katodą, B anodą. NIE spełnia.

Test A vs C: E°(A)=1,507 V, E°(C)=1,92 V. A < C → A jest anodą, C katodą ✓.

Wybór: A + C → A działa jako anoda → utlenianie Mn²⁺ → H⁺ powstaje → pH maleje ✓.

Mechanizm: konstrukcja ogniwa B + C

E°(B) = +1,066 V, E°(C) = +1,92 V (karta wzorów CKE).

Katoda (wyższy E°): C = Co³⁺/Co²⁺. Reakcja: Co³⁺ + e⁻ → Co²⁺.

Anoda (niższy E°): B = Br⁻/Br₂. Reakcja: 2 Br⁻ → Br₂ + 2 e⁻.

Reakcja sumaryczna: 2 Br⁻ + 2 Co³⁺ → Br₂ + 2 Co²⁺.

SEM ogniwa: E_ogn = E°(C) - E°(B) = 1,92 - 1,066 ≈ +0,85 V.

Schemat (konwencja IUPAC): anoda (-) po lewej, katoda (+) po prawej.

$(-)$ Pt | Br⁻, Br₂ || Co³⁺, Co²⁺ | Pt $(+)$

Klucz pojęciowy — standardowe potencjały redoks

E° = potencjał standardowy redukcji (vs SHE, standardowa elektroda wodorowa).

Wyższe E° = silniejszy utleniacz (chce się zredukować). Niższe E° = silniejszy reduktor (chce się utlenić).

Potencjały półogniw z zadania (karta „Wybrane wzory i stałe fizykochemiczne”):

Reakcja	E° (V)
Co³⁺ + e⁻ ⇌ Co²⁺	+1,92
MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ ⇌ Mn²⁺ + 4H₂O	+1,507
Br₂ + 2e⁻ ⇌ 2 Br⁻	+1,066

Punktacja CKE

14.1. 2 pkt — poprawne uzupełnienie zdań (zwiększać, utleniania, katody) i wybór półogniwa C; 1 pkt — poprawne zdania i błędny wybór półogniwa (lub jego brak) albo poprawny wybór półogniwa przy błędnych zdaniach. Każde jednoznaczne wskazanie półogniwa C jest uznawane.
14.2. 1 pkt — poprawny schemat ogniwa B–C.
Suma: 3 pkt.

Po co to umieć

Potencjały standardowe pozwalają przewidzieć, które półogniwo w danym ogniwie będzie katodą, a które anodą — a więc w którą stronę przebiegnie reakcja w każdym półogniwie. To zadanie pokazuje, że ten sam układ MnO₄⁻/Mn²⁺ może być katodą (z półogniwem bromowym) albo anodą (z półogniwem kobaltowym), zależnie od partnera.

Manganian(VII) potasu (KMnO₄) jest silnym utleniaczem; w środowisku kwasowym redukuje się do Mn²⁺ — tak jak w równaniu półogniwa A.

Rozumiesz, jak to rozwiązać?

Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji

matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „elektrochemia, ogniwa galwaniczne, półogniwa, potencjały redoks, MnO4, Br2, Co3+” zrobisz samodzielnie.

Otwórz matury-online.pl