Гальванічний елемент: окиснення і відновлення на електродах
~15 хв · 8 розділів · 11 тестових запитань
Частина кар’єрної траєкторії Підготовка до НМТ 2027: Хімія — повний курс.
Розбираєш будову гальванічного елемента, визначаєш анод і катод за рядом активності металів, записуєш процеси окиснення й відновлення на електродах і прогнозуєш зміну мас електродів.
Коли цинкову пластинку занурити в розчин купрум(II) сульфату (CuSO₄), вона вкривається червоним нальотом міді. Відбувається реакція: Zn + CuSO₄ → ZnSO₄ + Cu. Атоми цинку віддають електрони безпосередньо йонам Cu²⁺, тому енергія виділяється лише у вигляді теплоти — реакція просто нагріває розчин.
Гальванічний елемент — це пристрій, у якому окисник і відновник розділено в просторі, а електрони йдуть від відновника до окисника зовнішнім колом. Завдяки цьому енергія окисно-відновної реакції перетворюється на електричну, а не лише на теплоту.
Найвідоміший приклад — мідно-цинковий гальванічний елемент (елемент Даніеля). Він складається з цинкової пластинки, зануреної в розчин цинк сульфату (ZnSO₄), і мідної пластинки, зануреної в розчин купрум(II) сульфату (CuSO₄). Пластинки з'єднано металевим провідником (наприклад, мідним дротом), а розчини — сольовим містком. Сольовий місток — це трубка, заповнена розчином солі (найчастіше KCl), яка замикає електричне коло, дозволяючи йонам рухатися між розчинами.
Історія гальванічних елементів починається наприкінці XVIII ст., коли італійський учений Луїджі Гальвані проводив досліди з «тваринною електрикою», спостерігаючи скорочення м'язів жаби під дією електрики. У 1800 році інший італієць, Алессандро Вольта, створив вольтів стовп — перше хімічне джерело постійного струму, яке складалося з почергових шарів цинку, мокрої тканини та срібла. Сучасні батарейки, якими ми користуємося щодня, — це теж гальванічні елементи, у яких хімічна енергія перетворюється на електричну.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
У гальванічному елементі два електроди, і на кожному з них відбувається свій процес.
Анод — це електрод, на якому відбувається окиснення. У гальванічному елементі анод завжди негативний (−). Наприклад, у мідно-цинковому елементі цинк окиснюється: Zn⁰ − 2e⁻ → Zn²⁺. Атоми цинку втрачають електрони, перетворюються на йони Zn²⁺ і переходять у розчин. Унаслідок цього цинкова пластинка поступово розчиняється, її маса зменшується.
Катод — це електрод, на якому відбувається відновлення. У гальванічному елементі катод завжди позитивний (+). На мідній пластинці йони Cu²⁺ з розчину приймають електрони й відновлюються: Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu⁰. Атоми міді осідають на пластинці, тому її маса зростає. Синій колір розчину CuSO₄ поступово світлішає, бо концентрація йонів Cu²⁺ зменшується.
Сумарне рівняння реакції в мідно-цинковому елементі: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Електрони рухаються зовнішнім колом (металевим провідником) від цинку (анода) до міді (катода). Усередині сольового містка катіони (K⁺) рухаються до катода, а аніони (Cl⁻) — до анода, замикаючи електричне коло.
Підказка для запам'ятовування: «Анод — окиснення» — обидва слова починаються з голосної літери (А, О). «Катод — відновлення» — обидва слова починаються з приголосної (К, В).
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
У парі металів окиснюється активніший — той, що розташований лівіше в ряді активності металів. Саме він стає анодом гальванічного елемента.
Розгляньмо кілька прикладів:
Zn–Cu: цинк лівіше за мідь у ряді активності, тому анод — цинк (Zn − 2e⁻ → Zn²⁺), катод — мідь (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu).
Fe–Cu: залізо лівіше за мідь, анод — залізо (Fe − 2e⁻ → Fe²⁺), катод — мідь.
Mg–Zn: магній лівіше за цинк, анод — магній (Mg − 2e⁻ → Mg²⁺), катод — цинк (Zn²⁺ + 2e⁻ → Zn).
Cu–Ag: мідь лівіше за срібло, анод — мідь (Cu − 2e⁻ → Cu²⁺), катод — срібло (Ag⁺ + e⁻ → Ag).
Зверни увагу: той самий метал може бути і анодом, і катодом — усе залежить від того, з яким металом його поставити в пару. Наприклад, залізо — анод у парі Fe–Cu, але катод у парі Zn–Fe, бо цинк активніший за залізо.
Порядок металів у ряді активності допомагає визначити напрям типової окисно-відновної реакції, але кількість позицій між металами не є шкалою напруги. Напруга гальванічного елемента залежить від конкретних електродних пар і складу розчинів — її обчислення не входить у програму НМТ.
Окремий цікавий випадок — цинкова й мідна пластинки, занурені в розведену сульфатну кислоту H₂SO₄ і з'єднані провідником. Цинк окиснюється (Zn − 2e⁻ → Zn²⁺), а на мідній пластинці виділяється водень: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑. Мідь з кислотою не реагує — вона лише передає електрони від цинку до йонів H⁺. Тому мідна пластинка виконує роль катода, хоча сама хімічно не змінюється.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Приклад 1. Маса якого електрода зменшується?
Гальванічний елемент складено із залізної пластинки, зануреної в розчин FeSO₄, і мідної пластинки, зануреної в розчин CuSO₄. Маса якого електрода зменшується під час роботи елемента?
Розв'язання. Залізо в ряді активності розташоване лівіше за мідь, тому залізо є анодом. На аноді відбувається окиснення: Fe − 2e⁻ → Fe²⁺. Атоми заліза переходять у розчин у вигляді йонів Fe²⁺, тому маса залізної пластинки зменшується.
Відповідь: маса залізного електрода зменшується.
Чому інші варіанти неправильні? Варіант «мідного» — помилка, бо мідь є катодом, на ній відновлюються йони Cu²⁺, і маса мідної пластинки зростає. Варіант «обох» — неправильний, бо маса катода зростає. Варіант «жодного» — неправильний, бо маса анода обов'язково зменшується.
Приклад 2. Логічні пари: гальванічна пара — процес на аноді
Установи відповідність між гальванічною парою металів (1–3) і процесом, що відбувається на аноді (А–Д).
1 Zn–Ag
2 Fe–Cu
3 Mg–Fe
А Zn − 2e⁻ → Zn²⁺
Б Ag − e⁻ → Ag⁺
В Fe − 2e⁻ → Fe²⁺
Г Mg − 2e⁻ → Mg²⁺
Д Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu
Розв'язання. Для кожної пари знаходимо метал, розташований лівіше в ряді активності — він буде анодом, і записуємо процес його окиснення.
1 Zn–Ag: цинк лівіше за срібло, анод — Zn, процес Zn − 2e⁻ → Zn²⁺ (А).
2 Fe–Cu: залізо лівіше за мідь, анод — Fe, процес Fe − 2e⁻ → Fe²⁺ (В).
3 Mg–Fe: магній лівіше за залізо, анод — Mg, процес Mg − 2e⁻ → Mg²⁺ (Г).
Відповідь: 1А, 2В, 3Г.
Чому інші варіанти неправильні? Б (Ag − e⁻ → Ag⁺) — срібло не є анодом у жодній із запропонованих пар, бо воно найменш активне. Д (Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu) — це процес відновлення на катоді, а не на аноді.
Приклад 3. Яке твердження про мідно-цинковий гальванічний елемент правильне?
Виберіть правильне твердження:
А) На мідному електроді відбувається окиснення.
Б) Цинк є катодом.
В) Електрони рухаються зовнішнім колом від цинку до міді.
Г) Концентрація йонів Cu²⁺ біля мідного електрода зростає.
Розв'язання. У мідно-цинковому елементі цинк — анод (окиснення), мідь — катод (відновлення). Електрони завжди рухаються зовнішнім колом від анода до катода, тобто від цинку до міді.
Відповідь: В.
Чому інші варіанти неправильні? А — на мідному електроді (катоді) відбувається відновлення, а не окиснення. Б — цинк є анодом, а не катодом. Г — концентрація Cu²⁺ біля мідного електрода зменшується, бо йони Cu²⁺ відновлюються й осідають на пластинці.
Приклад 4. У якій парі металів залізо є катодом?
Виберіть пару, у якій залізо виконує роль катода:
А) Fe–Cu
Б) Fe–Sn
В) Fe–Ag
Г) Zn–Fe
Розв'язання. Залізо є катодом тільки тоді, коли в парі є активніший за нього метал. У ряді активності цинк розташований лівіше за залізо, тому в парі Zn–Fe анодом буде цинк, а залізо — катодом. В усіх інших парах (Fe–Cu, Fe–Sn, Fe–Ag) залізо активніше, тому воно є анодом.
Відповідь: Г (Zn–Fe).
Чому інші варіанти неправильні? У парах Fe–Cu, Fe–Sn, Fe–Ag залізо розташоване лівіше в ряді активності, тому воно є анодом, а не катодом.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Помилка: вважають, що в мідно-цинковому елементі розчиняється мідь, бо «мідний електрод позитивний». Правильно: розчиняється цинк (анод), а мідь (катод) нарощує масу.
Помилка: плутають анод і катод або переносять знаки електродів з інших пристроїв (наприклад, з електролізу). Правильно: у гальванічному елементі анод (окиснення) негативний (−), катод (відновлення) позитивний (+).
Помилка: вважають, що електрони рухаються крізь розчин або від міді до цинку. Правильно: електрони рухаються тільки зовнішнім металевим провідником від анода (активнішого металу) до катода.
Помилка: визначають анод за масою, розміром чи кольором пластинки, а не за положенням металу в ряді активності. Правильно: анод завжди визначають за рядом активності: лівіший метал — анод.
Помилка: вважають, що мідна пластинка в кислоті «нічого не робить», хоча на ній відновлюються йони H⁺ і виділяється водень. Правильно: мідь не реагує з кислотою хімічно, але в парі з цинком вона слугує катодом, на якому відновлюються йони H⁺.
Помилка: забувають про провідник чи сольовий місток: у розімкненому колі струму немає. Правильно: для роботи гальванічного елемента потрібне замкнене коло: металевий провідник між електродами й сольовий місток між розчинами.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Програма НМТ з хімії включає тему «Хімічна реакція», у змісті якої є гальванічний елемент. Вимога — аналізувати процеси в гальванічному елементі.
Формати завдань:
Вибір однієї відповіді з чотирьох (№ 1–18, 0 або 1 бал): визначають метал, що окиснюється в парі, або електрод, маса якого зменшується.
Логічні пари 1–3 → А–Д (№ 19–20, по 1 балу за пару): установлення відповідності «пара металів — процес на електроді».
Довідковий матеріал: у ряді активності металів (Li, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Be, Al, Mn, Cr, Zn, Fe, Cd, Ni, Sn, Pb, (H₂), Bi, Cu, Ag, Hg, Pt, Au) порівнюють метали типових пар цього уроку за зазначених умов. У демоваріанті 2026 року ряд активності потрібен у № 8 — для визначення складу сплаву за взаємодією з кислотою.
Стратегія: спершу знайди обидва метали в ряді активності — лівіший є анодом. Далі все інше випливає: електрони йдуть від анода до катода, маса анода зменшується, на катоді відбувається відновлення.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Чому в мідно-цинковому елементі окиснюється цинк, а не мідь?
Тому що цинк активніший за мідь. У ряді активності металів цинк розташований лівіше, тому він легше віддає електрони. У парі Zn–Cu цинк є відновником (окиснюється), а йони Cu²⁺ — окисником (відновлюються). Якби в парі були мідь і срібло, то окиснювалася б мідь, бо вона активніша за срібло.
Навіщо потрібен сольовий місток?
Сольовий місток замикає електричне коло, дозволяючи йонам рухатися між двома розчинами. Без нього в розчині анода накопичувався б позитивний заряд (Zn²⁺), а в розчині катода — негативний (SO₄²⁻). Це створило б електричне поле, яке зупинило б рух електронів. Сольовий місток нейтралізує ці заряди: катіони (K⁺) рухаються до катода, аніони (Cl⁻) — до анода.
Чому анод у гальванічному елементі негативний?
Анод — це електрод, на якому відбувається окиснення. Атоми металу переходять у розчин у вигляді катіонів, а їхні електрони залишаються в пластинці — на аноді утворюється надлишок електронів, тому він заряджений негативно. Ці електрони й рухаються зовнішнім колом до катода. Тому в гальванічному елементі анод позначають знаком «−», а катод — знаком «+».
Чи може залізо бути катодом?
Так, якщо в парі є активніший метал. Наприклад, у парі Zn–Fe залізо є катодом, бо цинк активніший (розташований лівіше в ряді активності). На залізному електроді відбуватиметься відновлення: йони з розчину (наприклад, Fe²⁺ з розчину солі Феруму(II) або H⁺ у кислоті) прийматимуть електрони. Натомість у парі Fe–Cu залізо є анодом, бо воно активніше за мідь.
Чому на мідній пластинці в кислоті виділяється водень, якщо мідь з кислотою не реагує?
Мідь справді не реагує з розведеною сульфатною кислотою хімічно. Але коли мідну пластинку з'єднано провідником із цинковою в тій самій кислоті, утворюється гальванічний елемент. Цинк окиснюється (Zn − 2e⁻ → Zn²⁺), а електрони через провідник потрапляють на мідну пластинку. Там їх приймають йони H⁺ з кислоти: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑. Мідна пластинка слугує лише провідником електронів і поверхнею для виділення водню.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Гальванічний елемент перетворює енергію окисно-відновної реакції на електричну: окиснення й відновлення розділено в просторі.
Анод — окиснення (−), катод — відновлення (+).
Анод — активніший метал, розташований лівіше в ряді активності.
Маса анода зменшується; на катоді осідає метал або виділяється водень.
Електрони йдуть зовнішнім колом від анода до катода, сольовий місток замикає коло.
Створіть безкоштовний акаунт, щоб зробити це. Читання лишається відкритим для всіх.
Перевірте себе на цьому юніті
Спробуйте ці 5 запитань — оберіть відповідь, щоб побачити, чи ви праві й чому. Приєднайтеся, щоб пройти повний тест юніту, який іде в глибину по цьому юніту.
1. У мідно-цинковому гальванічному елементі (Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu) маса якого електрода зменшується під час роботи?
2. Яка основна функція сольового містка в гальванічному елементі?
3. У якій із пар металів залізо виконує роль катода (на ньому відбувається відновлення)?
4. Який знак має цинковий електрод у мідно‑цинковому гальванічному елементі (Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu) і в якому напрямі рухаються електрони зовнішнім колом?
5. Під час роботи мідно‑цинкового гальванічного елемента (Zn | ZnSO₄ || CuSO₄ | Cu) концентрація йонів Cu²⁺ у розчині біля мідного електрода:
Це лише дрібка самоперевірки — повний тест юніту йде в глибину й використовує всі 11 запитань цього юніта і точно визначає, що вивчати.
Приєднатися, щоб пройти тест