Номер 205, страница 323 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.205. В водородно-кислородном топливном элементе электролитом является полимер, проводящий ионы водорода. Топливом служит водород, окис-лителем – кислород. Напишите уравнения процессов на электродах и уравнение суммарной реакции. Изменятся ли процессы на электродах и суммарное уравнение реакции, если в водородно-кислородном топливном элементе заменить кислотный электролит на щелочной?

Решение

Задача состоит из двух частей: описание процессов в топливном элементе с кислотным электролитом и анализ изменений при замене электролита на щелочной.

1. Уравнения процессов на электродах и уравнение суммарной реакции в элементе с кислотным электролитом

В водородно-кислородном топливном элементе с полимерным электролитом, проводящим ионы водорода ($H^+$), среда является кислотной. Топливо (водород $H_2$) окисляется на отрицательном электроде (аноде), а окислитель (кислород $O_2$) восстанавливается на положительном электроде (катоде).

• На аноде (-) происходит процесс окисления водорода:

  $H_2 - 2e^- \rightarrow 2H^+$

• На катоде (+) происходит процесс восстановления кислорода:

  $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$

Чтобы получить суммарное уравнение реакции, необходимо, чтобы число отданных на аноде электронов равнялось числу принятых на катоде электронов. Для этого умножим уравнение анодного процесса на 2 и сложим его с уравнением катодного процесса:

$2H_2 - 4e^- \rightarrow 4H^+$

$O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$

Сложив левые и правые части и сократив одинаковые частицы ($4H^+$ и $4e^-$), получаем суммарное уравнение:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Ответ: Уравнения электродных процессов: Анод (-): $H_2 - 2e^- \rightarrow 2H^+$; Катод (+): $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$. Суммарное уравнение реакции: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$.

2. Изменение процессов при замене кислотного электролита на щелочной

Да, при замене кислотного электролита на щелочной (например, водный раствор $KOH$), процессы на электродах изменятся, так как переносчиком заряда в электролите будут выступать гидроксид-ионы ($OH^-$), а не ионы водорода ($H^+$). При этом суммарное уравнение реакции останется неизменным.

Процессы в щелочной среде:

• На аноде (-) водород окисляется, взаимодействуя с гидроксид-ионами:

  $H_2 + 2OH^- - 2e^- \rightarrow 2H_2O$

• На катоде (+) кислород восстанавливается, взаимодействуя с водой:

  $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$

Суммарное уравнение реакции получается аналогичным образом. Умножим анодную реакцию на 2 для уравнивания числа электронов и сложим с катодной. После сокращения одинаковых частиц ($4OH^-$, $4e^-$ и $2H_2O$) итоговое уравнение будет таким же:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Ответ: Процессы на электродах изменятся. Новые уравнения: Анод (-): $H_2 + 2OH^- - 2e^- \rightarrow 2H_2O$; Катод (+): $O_2 + 2H_2O + 4e^- \rightarrow 4OH^-$. Суммарное уравнение реакции не изменится: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$.