Гальванічний елемент: окиснення і відновлення на електродах

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.

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).

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.

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.

• 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.

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.

• 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.