Zadanie 14
Matura z chemii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: V.5 — elektrochemia, ogniwa galwaniczne, potencjały standardowe.
Treść zadania
W trzech standardowych półogniwach A, B i C ustalają się równowagi opisane poniższymi równaniami:
- półogniwo A:
- półogniwo B:
- półogniwo C:
Zadanie 14.1. (0–1–2)
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.
- E°(A) = +1,51 V.
- E°(B) = +1,07 V (NIŻSZE niż A) — nie spełnia warunku.
- E°(C) = +1,82 V (WYŻSZE 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) = 1,82 - 1,51 = +0,31 V > 0 ✓ (spontaniczne).
14.2. Ogniwo B + C — porównanie E°:
- E°(B) = +1,07 V (niższe).
- E°(C) = +1,82 V (wyższe).
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):
SEM = E°(C) - E°(B) = 1,82 - 1,07 = +0,75 V ✓ (spontaniczne).
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 (1,82) > A (1,51), więc C ✓.
Pułapka 14.2 — schemat ogniwa. Konwencja: po lewej anoda (-), po prawej katoda (+). Jedna kreska "|" = granica faza, podwójna "||" = klucz/elektrolit. Pt jest obojętna (elektroda inertna dla redoks w roztworze).
Strona arkusza CKE z trescia zadania
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)=1,51, E°(B)=1,07. A > B → A byłoby katodą, B anodą. NIE spełnia.
Test A vs C: E°(A)=1,51, E°(C)=1,82. 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) = +1,07 V, E°(C) = +1,82 V.
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) = 1,82 - 1,07 = +0,75 V (spontaniczne ✓).
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).
Wybrane potencjały:
| Reakcja | E° (V) |
|---|---|
| F₂ + 2e⁻ → 2 F⁻ | +2,87 (najsilniejszy utleniacz nieorganiczny) |
| Co³⁺ + e⁻ → Co²⁺ | +1,82 |
| MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5e⁻ → Mn²⁺ + 4H₂O | +1,51 |
| Cl₂ + 2e⁻ → 2 Cl⁻ | +1,36 |
| Br₂ + 2e⁻ → 2 Br⁻ | +1,07 |
| Ag⁺ + e⁻ → Ag | +0,80 |
| Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu | +0,34 |
| 2 H⁺ + 2e⁻ → H₂ | 0,00 (definicja SHE) |
| Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn | -0,76 |
| Li⁺ + e⁻ → Li | -3,04 (najsilniejszy reduktor metaliczny) |
Punktacja CKE
- 14.1. 2 pkt — wybory w nawiasach (zwiększać, utleniania, katody) + półogniwo C.
- 14.2. 1 pkt — schemat ogniwa B-C.
- Suma: 3 pkt.
Po co to umieć
Ogniwa galwaniczne w życiu codziennym:
- Bateria alkaliczna (Zn + MnO₂ w KOH): SEM = 1,5 V.
- Bateria litowo-jonowa (Li + Co/Ni/Mn oxide): SEM = 3,7 V.
- Akumulator ołowiowy (Pb + PbO₂ w H₂SO₄): SEM = 2,0 V/cell (6 cell = 12 V auto).
- Ogniwa paliwowe (H₂/O₂): SEM = 1,23 V, używane w samochodach (Toyota Mirai).
Potencjały standardowe = ostro praktyczne narzędzie:
- Korozja metali: Fe (-0,44) atakowany w wilgotnym powietrzu z O₂ (+1,23). Ochrona katodowa = poświęcony Zn (-0,76).
- Pokrywanie metali: złoto, srebro, chrom — elektroliza (wymuszona redukcja kationów).
- Wydobycie metali: Cu z roztworu CuSO₄ wypiera Fe (Fe + Cu²⁺ → Fe²⁺ + Cu).
MnO₄⁻ = jeden z najsilniejszych utleniaczy używanych w analizie:
- KMnO₄ = fioletowy, mocno utleniający.
- W środowisku kwaśnym → Mn²⁺ (jak w zadaniu).
- W środowisku obojętnym → MnO₂ (brunatny osad).
- W środowisku zasadowym → MnO₄²⁻ (manganian).
- Stosowany w miareczkowaniu redoks (manganometria) — oznaczanie żelaza, H₂O₂, …
Co³⁺ = bardzo silny utleniacz:
- W roztworach niestabilny — utlenia H₂O do O₂!
- Stabilizowany w kompleksach (np. [Co(NH₃)₆]³⁺).
- Witamina B12 ma rdzeń kobaltowy (Co³⁺).
Br₂ w przemyśle:
- Ekstrakcja z wody morskiej (Cl₂ wypiera Br⁻ → Br₂).
- Bromki w fotografii, lekach, retardantach ognia.
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