Ogniwa galwaniczne na maturze z chemii — elektrochemia, schemat ogniwa i SEM

Zadanie z ogniwem galwanicznym było w każdym z czterech arkuszy CKE z chemii z maja 2023–2026. Dział nazywa się w podstawie programowej „Elektrochemia. Ogniwa” i jest krótki: cztery wymagania o pojęciach, schemacie ogniwa, reakcjach elektrodowych i sile elektromotorycznej oraz jedno o korozji i źródłach prądu. Ten tekst przechodzi przez nie po kolei, pokazuje trzy przykłady przeliczone na wartościach z karty wzorów i zestawia zadania z ostatnich czterech arkuszy z numerami i punktacją z zasad oceniania. Jeśli zdajesz maturę w 2027 roku, to jest cały zakres elektrochemii, z którego możesz dostać zadanie.

Elektrochemia na maturze — co obejmują wymagania działu „Elektrochemia. Ogniwa”

Podstawa programowa chemii w zakresie rozszerzonym (Dz.U. 2024 poz. 1019), dział IX „Elektrochemia. Ogniwa”, wymaga, żeby uczeń:

1. stosował pojęcia: półogniwo, anoda, katoda, ogniwo galwaniczne, klucz elektrolityczny, potencjał standardowy półogniwa, szereg elektrochemiczny, SEM;
2. pisał oraz rysował schemat ogniwa odwracalnego i nieodwracalnego;
3. pisał równania reakcji zachodzące na elektrodach (na katodzie i anodzie) ogniwa galwanicznego o danym schemacie, projektował ogniwo, w którym zachodzi dana reakcja chemiczna, i pisał schemat tego ogniwa;
4. obliczał SEM ogniwa galwanicznego na podstawie standardowych potencjałów półogniw, z których jest ono zbudowane;
5. wyszukiwał, porządkował, porównywał i prezentował informacje o przebiegu korozji elektrochemicznej stali i żeliwa, o sposobach ochrony metali przed korozją elektrochemiczną oraz o współczesnych źródłach prądu stałego.

Z ogniwami łączy się jeszcze jedno wymaganie z działu VIII „Reakcje utleniania i redukcji”: uczeń przewiduje kierunek przebiegu reakcji utleniania-redukcji na podstawie wartości potencjałów standardowych półogniw i pisze odpowiednie równania reakcji. Zasady oceniania arkuszy z lat 2024 i 2025 powołują się na nie razem z działem IX.

Te same wymagania przywołuje Informator CKE z chemii przy przykładowych zadaniach 31 i 32 w części „Elektrochemia” (s. 70–72). W arkuszach z maja 2023–2026 nie było zadania o korozji ani o źródłach prądu stałego — wszystkie zadania z działu IX dotyczyły ogniw.

Ogniwo to reakcja utleniania-redukcji rozdzielona na dwa półogniwa, dlatego najpierw trzeba swobodnie pisać równania połówkowe. Jeśli to jeszcze sprawia kłopot, zacznij od tekstu o bilansie elektronowym w reakcjach redoks.

Ogniwo galwaniczne — anoda, katoda i schemat ogniwa

Anoda i katoda

W ogniwie galwanicznym na anodzie zachodzi utlenianie, a na katodzie redukcja. Anodą jest półogniwo o niższym potencjale, katodą — półogniwo o wyższym potencjale. W schematach z arkuszy CKE anoda ma znak $(-)$, a katoda znak $(+)$: elektrony uwolnione w procesie utleniania przechodzą przewodnikiem od anody do katody.

Informator pokazuje to na trzech zdaniach do oceny (zadanie 31., s. 70). W ogniwie $\ce{Zn}\ \vert\ \ce{Zn^2+}\ \Vert\ \ce{Cu^2+}\ \vert\ \ce{Cu}$ na katodzie przebiega reakcja $\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}$ — prawda. W ogniwie $\ce{Fe}\ \vert\ \ce{Fe^2+}\ \Vert\ \ce{Ag+}\ \vert\ \ce{Ag}$ katodą nie jest półogniwo żelazne, tylko srebrowe. Podczas pracy ogniwa zbudowanego z półogniwa magnezowego i ołowiowego magnez się roztwarza, a ołów się wydziela — prawda, bo potencjał magnezu jest niższy.

Schemat ogniwa

Schemat zapisujesz w jednej linii: anoda po lewej, katoda po prawej. Pojedyncza kreska oddziela elektrodę od roztworu, podwójna kreska oddziela oba półogniwa — w tym miejscu roztwory łączy klucz elektrolityczny.

$(-)\ \ce{Zn}\ \vert\ \ce{Zn^2+}\ \Vert\ \ce{Cu^2+}\ \vert\ \ce{Cu}\ (+)$

W arkuszach pojawiają się trzy rodzaje półogniw i każdy ma swój zapis:

Rodzaj półogniwa	Przykład zapisu w schemacie	Gdzie wystąpił
metal w roztworze swoich jonów	$\ce{Co}\ \vert\ \ce{Co^2+}$	arkusz 2023, zadanie 19.
wodorowe, z platyną jako przewodnikiem	$\ce{H+}\ \vert\ \ce{H2}\,(g)\ \vert\ \ce{Pt}$	arkusz 2023, zadanie 19.
redoks — obie formy w roztworze, elektroda platynowa	$\ce{Pt}\ \vert\ \ce{Fe^3+},\ \ce{Fe^2+}$	arkusze 2024 i 2025

W półogniwie redoks platyna tylko przewodzi elektrony i nie bierze udziału w reakcji elektrodowej (tak opisuje ją arkusz z 2024 r.). W schemacie wpisujesz wszystkie jony z równania reakcji elektrodowej, także $\ce{H+}$; ich kolejność w obrębie półogniwa jest dowolna — zasady oceniania z 2024 i 2025 r. mówią to wprost.

Wskazówka: najpierw porównaj potencjały, potem pisz schemat. Półogniwo o niższym potencjale trafia na lewą stronę jako anoda.

SEM ogniwa galwanicznego — obliczanie z potencjałów standardowych

Siłę elektromotoryczną ogniwa w warunkach standardowych liczysz jako różnicę potencjałów standardowych katody i anody:

$SEM = E^\circ_K - E^\circ_A$

Tak liczą ją zasady oceniania CKE, np. w arkuszu z 2023 r.: $SEM = 0{,}00 - (-0{,}28) = 0{,}28\ \text{V}$. Ponieważ katodą jest półogniwo o wyższym potencjale, wynik dla pracującego ogniwa jest dodatni. Jeśli wychodzi ujemny, zamieniłeś elektrody.

Potencjałów nie uczysz się na pamięć. Na egzaminie dostajesz „Wybrane wzory i stałe fizykochemiczne na egzamin maturalny z biologii, chemii i fizyki”, a w nich tabelę „Potencjał standardowy redukcji”. Reakcje są w niej ułożone alfabetycznie według symboli, a nie według rosnącego potencjału, więc szereg elektrochemiczny układasz sam, porównując liczby. Więcej o zawartości karty znajdziesz w tekście o karcie wzorów z chemii. Wartości użyte w tym artykule, przepisane z karty:

Równanie reakcji	$E^\circ$, V
$\ce{Mg^2+ + 2e- <=> Mg}$	$-2{,}372$
$\ce{Zn^2+ + 2e- <=> Zn}$	$-0{,}762$
$\ce{Fe^2+ + 2e- <=> Fe}$	$-0{,}447$
$\ce{Co^2+ + 2e- <=> Co}$	$-0{,}28$
$\ce{Ni^2+ + 2e- <=> Ni}$	$-0{,}257$
$\ce{Pb^2+ + 2e- <=> Pb}$	$-0{,}126$
$\ce{2H+ + 2e- <=> H2}$	$0{,}000$
$\ce{Sn^4+ + 2e- <=> Sn^2+}$	$0{,}151$
$\ce{Cu^2+ + 2e- <=> Cu}$	$0{,}342$
$\ce{Fe^3+ + e- <=> Fe^2+}$	$0{,}771$
$\ce{Ag+ + e- <=> Ag}$	$0{,}800$
$\ce{Br2 + 2e- <=> 2Br-}$	$1{,}066$
$\ce{MnO4- + 8H+ + 5e- <=> Mn^2+ + 4H2O}$	$1{,}507$
$\ce{Co^3+ + e- <=> Co^2+}$	$1{,}92$

Jeżeli zadanie podaje własne wartości potencjałów, korzystasz z tych z zadania.

Przykład 1. Ogniwo z dwóch półogniw metalicznych

Zbuduj ogniwo z półogniw $\ce{Zn}\ \vert\ \ce{Zn^2+}$ i $\ce{Ag}\ \vert\ \ce{Ag+}$, napisz jego schemat i równania reakcji, oblicz SEM w warunkach standardowych.

1. Potencjały z karty: $-0{,}762\ \text{V}$ dla cynku i $0{,}800\ \text{V}$ dla srebra. Niższy ma cynk, więc półogniwo cynkowe jest anodą.
2. Schemat: $(-)\ \ce{Zn}\ \vert\ \ce{Zn^2+}\ \Vert\ \ce{Ag+}\ \vert\ \ce{Ag}\ (+)$.
3. Anoda: $\ce{Zn -> Zn^2+ + 2e-}$. Katoda: $\ce{Ag+ + e- -> Ag}$.
4. Równanie sumaryczne (równanie katodowe pomnożone przez 2): $\ce{Zn + 2Ag+ -> Zn^2+ + 2Ag}$.
5. $SEM = 0{,}800 - (-0{,}762) = 1{,}562\ \text{V}$.

Równanie katodowe mnożysz przez 2, żeby zgadzała się liczba elektronów. Potencjału nie mnożysz — do wzoru wchodzi wartość z karty.

Przykład 2. Ogniwo z półogniw redoks

Zbuduj ogniwo generujące prąd w warunkach standardowych z półogniw, w których zachodzą reakcje $\ce{Sn^4+ + 2e- <=> Sn^2+}$ oraz $\ce{Fe^3+ + e- <=> Fe^2+}$. Elementem przewodzącym w obu jest platyna.

1. Potencjały z karty: $0{,}151\ \text{V}$ i $0{,}771\ \text{V}$. Anodą jest półogniwo cynowe.
2. Schemat: $(-)\ \ce{Pt}\ \vert\ \ce{Sn^2+},\ \ce{Sn^4+}\ \Vert\ \ce{Fe^3+},\ \ce{Fe^2+}\ \vert\ \ce{Pt}\ (+)$.
3. Anoda: $\ce{Sn^2+ -> Sn^4+ + 2e-}$. Katoda: $\ce{Fe^3+ + e- -> Fe^2+}$.
4. Równanie sumaryczne: $\ce{2Fe^3+ + Sn^2+ -> 2Fe^2+ + Sn^4+}$.
5. $SEM = 0{,}771 - 0{,}151 = 0{,}620\ \text{V}$.

To ten sam typ zadania co 12. w arkuszu z 2024 r. i 14.2. w arkuszu z 2025 r. Krok 4 jest zarazem odpowiedzią na pytanie o kierunek reakcji: w warunkach standardowych jony $\ce{Fe^3+}$ utleniają jony $\ce{Sn^2+}$, a nie odwrotnie.

Przykład 3. Potencjał półogniwa przy stężeniu innym niż 1 mol·dm⁻³

W arkuszu z 2026 r. (zadanie 9.) podano w treści równanie Nernsta dla układu $\ce{Me^{n+}}/\ce{Me}$ w temperaturze 298 K:

$E = E^\circ + \frac{0{,}059}{n} \cdot \log c_{\ce{Me^{n+}}}$

Równania nie ma w wymaganiach ani w karcie wzorów — trzeba było umieć z niego skorzystać. Policzmy na nim prostszy przypadek: anodą jest blaszka cynkowa w roztworze o stężeniu jonów $\ce{Zn^2+}$ równym $1{,}0\ \text{mol} \cdot \text{dm}^{-3}$, katodą blaszka miedziana w roztworze o stężeniu jonów $\ce{Cu^2+}$ równym $0{,}10\ \text{mol} \cdot \text{dm}^{-3}$.

1. Anoda: $\log 1{,}0 = 0$, więc $E_A = E^\circ = -0{,}762\ \text{V}$.
2. Katoda: $E_K = 0{,}342 + \frac{0{,}059}{2} \cdot \log 0{,}10 = 0{,}342 - 0{,}0295 = 0{,}3125\ \text{V}$.
3. $SEM = E_K - E_A = 0{,}3125 - (-0{,}762) = 1{,}0745\ \text{V} \approx 1{,}075\ \text{V}$.

Dla porównania SEM tego ogniwa w warunkach standardowych to $0{,}342 - (-0{,}762) = 1{,}104\ \text{V}$. Mniejsze stężenie jonów w półogniwie katodowym obniża potencjał katody, a z nim SEM.

Co było w arkuszach CKE z chemii 2023–2026 — zadania z ogniw

Numery zadań i punktacja pochodzą z arkuszy i zasad oceniania z sesji majowej. Wszystkie arkusze znajdziesz na stronie arkuszy maturalnych z chemii.

Arkusz	Zadanie	Co trzeba było zrobić
maj 2023	19.1. (0–1)	obliczyć SEM ogniwa o podanym schemacie z półogniwem kobaltowym i wodorowym
maj 2023	19.2. (0–1)	wybrać półogniwa metaliczne, którymi można zastąpić półogniwo kobaltowe bez zmiany procesu katodowego
maj 2024	12.1. (0–1)	uzupełnić schemat ogniwa z dwóch półogniw redoks i nazwać anodę oraz katodę
maj 2024	12.2. (0–1)	napisać w formie jonowej sumaryczne równanie reakcji w pracującym ogniwie
maj 2025	14.1. (0–2)	ustalić, z którym półogniwem połączyć dane półogniwo, aby pH roztworu w nim malało
maj 2025	14.2. (0–1)	uzupełnić schemat ogniwa z dwóch półogniw redoks
maj 2026	9.1. (0–4)	z SEM ogniwa i równania Nernsta obliczyć stężenie jonów metalu, a potem ustalić wzór hydratu
maj 2026	9.2. (0–1)	ocenić dwa zdania o ogniwie stężeniowym

Kilka z tych zadań warto prześledzić na liczbach z karty.

2023, zadanie 19. Schemat podano w treści: $(-)\ \ce{Co}\ \vert\ \ce{Co^2+}\ \Vert\ \ce{H+}\ \vert\ \ce{H2}\,(g)\ \vert\ \ce{Pt}\ (+)$. SEM to $0{,}00 - (-0{,}28) = 0{,}28\ \text{V}$; punkt był za wynik z jednostką, zapis obliczeń nie był wymagany. W drugiej części proces katodowy ma pozostać ten sam, czyli półogniwo wodorowe nadal ma być katodą. Nowe półogniwo musi więc mieć potencjał niższy od $0{,}000\ \text{V}$. Z pięciu podanych spełniają to trzy: $\ce{Fe}\ \vert\ \ce{Fe^2+}$ ($-0{,}447$), $\ce{Ni}\ \vert\ \ce{Ni^2+}$ ($-0{,}257$) i $\ce{Zn}\ \vert\ \ce{Zn^2+}$ ($-0{,}762$). Srebro i miedź mają potencjały dodatnie.

2024, zadanie 12. Półogniwo A: $\ce{MnO4- + 8H+ + 5e- <=> Mn^2+ + 4H2O}$ ($1{,}507\ \text{V}$), półogniwo B: $\ce{Fe^3+ + e- <=> Fe^2+}$ ($0{,}771\ \text{V}$). Niższy potencjał ma B, więc B jest anodą: $(-)\ \ce{Pt}\ \vert\ \ce{Fe^3+},\ \ce{Fe^2+}\ \Vert\ \ce{MnO4-},\ \ce{Mn^2+},\ \ce{H+}\ \vert\ \ce{Pt}\ (+)$. Równanie sumaryczne: $\ce{5Fe^2+ + MnO4- + 8H+ -> 5Fe^3+ + Mn^2+ + 4H2O}$. Punkt przyznawano za równanie we właściwej formie z jednoznacznie wskazanym kierunkiem.

2025, zadanie 14.1. Półogniwo A to znów układ $\ce{MnO4-}/\ce{Mn^2+}$. Żeby pH roztworu w tym półogniwie malało, stężenie jonów $\ce{H+}$ musi rosnąć, czyli reakcja elektrodowa musi biec w stronę utleniania. Półogniwo A jest wtedy anodą, a drugie — katodą, więc musi mieć potencjał wyższy niż $1{,}507\ \text{V}$. Z dwóch do wyboru ($\ce{Br2}/\ce{Br-}$: $1{,}066\ \text{V}$; $\ce{Co^3+}/\ce{Co^2+}$: $1{,}92\ \text{V}$) spełnia to tylko układ kobaltowy. Związek stężenia jonów $\ce{H+}$ z pH przypomina tekst o obliczaniu pH kwasów i zasad.

2026, zadanie 9. W części 9.1. z wykresu odczytywało się potencjał standardowy katody ($0{,}342\ \text{V}$, czyli miedź), z SEM równej $1{,}084\ \text{V}$ i potencjału cynku liczyło się $E_K = 1{,}084 + (-0{,}762) = 0{,}322\ \text{V}$, a z równania Nernsta stężenie jonów $\ce{Cu^2+}$ — według zasad oceniania $0{,}210\ \text{mol} \cdot \text{dm}^{-3}$. Dalej zadanie było już stechiometrią hydratów; ten typ rachunków ćwiczy tekst o zadaniach stechiometrycznych. W części 9.2. ogniwo stężeniowe zbudowano z dwóch blaszek srebrnych w roztworach $\ce{AgNO3}$ różniących się stężeniem dziesięciokrotnie. Z równania Nernsta wynika, że niższy potencjał ma półogniwo z roztworem bardziej rozcieńczonym, więc to ono jest anodą i jego blaszka traci masę, a blaszka w roztworze bardziej stężonym — przybiera. Oba zdania były prawdziwe.

Potencjały standardowe przydają się też poza działem IX. W zadaniu 13.1. z 2023 r. (0–1) trzeba było wskazać, w której probówce — ze srebrem, miedzią czy cynkiem — metal reaguje z kwasem solnym, i uzasadnić to porównaniem potencjału półogniwa wodorowego z potencjałami półogniw metalicznych. Z trzech metali tylko cynk ma potencjał niższy niż wodór. Jak czytać polecenia typu „rozstrzygnij i uzasadnij”, pokazuje tekst o czasownikach operacyjnych w poleceniach z biologii i chemii, a jak ogniwa wypadają na tle innych działów — zestawienie działów w arkuszach CKE z chemii.

Elektroliza a matura z chemii — dlaczego jej tu nie ma

Elektroliza nie jest obecnie materiałem egzaminacyjnym. W podstawie programowej (Dz.U. 2024 poz. 1019) dział IX nosi tytuł „Elektrochemia. Ogniwa” i żadne wymaganie z chemii nie dotyczy elektrolizy — to słowo w ogóle w podstawie nie występuje. Informator CKE w części „Elektrochemia” podaje wyłącznie zadania o ogniwach, a w arkuszach z maja 2023–2026 nie było ani jednego zadania z elektrolizy. Reguły wydzielania produktów na elektrodach i prawa Faradaya możesz więc pominąć w powtórkach do matury, a czas przeznaczyć na ogniwa.

Najczęstsze błędy w zadaniach z ogniw

Błąd	Poprawnie
anoda zapisana po prawej stronie schematu	anoda po lewej, katoda po prawej
odjęcie potencjałów w odwrotnej kolejności i ujemna SEM	$SEM = E^\circ_K - E^\circ_A$, od wyższego potencjału odejmujesz niższy
pomnożenie potencjału przez współczynnik z równania	mnożysz równanie połówkowe, potencjał bierzesz z karty bez zmian
pominięcie jonów $\ce{H+}$ w schemacie półogniwa redoks	wpisujesz wszystkie jony z równania reakcji elektrodowej
równanie sumaryczne bez wskazanego kierunku	strzałka w jedną stronę, zgodnie z tym, co jest anodą, a co katodą
wynik SEM bez jednostki	wynik w woltach

Ostatni wiersz wynika z ogólnej zasady oceniania: wynik liczbowy wielkości mianowanej podany bez jednostki lub z niepoprawnym jej zapisem jest traktowany jako wynik błędny (Informator CKE, s. 11).

Jak ćwiczyć ogniwa galwaniczne przed maturą 2027

Kolejność jest zawsze ta sama: potencjały z karty, anoda i katoda, schemat, równania elektrodowe, równanie sumaryczne, SEM. Ułóż sobie kilkanaście par półogniw z tabeli w karcie — metalicznych i redoks — i dla każdej przejdź wszystkie kroki, a potem rozwiąż zadania 19. (2023), 12. (2024), 14. (2025) i 9. (2026) bez zaglądania do rozwiązań. Miejsce ogniw w całym planie powtórek opisuje poradnik jak przygotować się do matury z chemii rozszerzonej.

W serwisie jest ponad 1700 zadań z chemii (ponad 20 000 zadań z 12 przedmiotów), a odpowiedzi otwarte ocenia AI. Zadania według działów są w zakładce zadania z chemii, a pełny arkusz na czas rozwiążesz w egzaminie z chemii. Premium kosztuje od 49 zł miesięcznie.

Podsumowanie

Elektrochemia na maturze z chemii to ogniwa galwaniczne. Anodą jest półogniwo o niższym potencjale i zachodzi w nim utlenianie; katodą — półogniwo o wyższym potencjale, w którym zachodzi redukcja. Schemat piszesz od anody do katody, SEM liczysz jako $E^\circ_K - E^\circ_A$ z wartości z karty wzorów, a równanie sumaryczne składasz z równań elektrodowych po wyrównaniu liczby elektronów. Tyle wystarczyło do zadań z arkuszy 2023–2025; w 2026 r. doszło równanie Nernsta podane w treści zadania.