Номер 206, страница 323 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.206. В метано-кислородном топливном элементе протекает реакция ${\mathrm{CH}}_4+2{\mathrm{O}}_2={\mathrm{CO}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}.$ В качестве электролита используется раствор кислоты. Запишите уравнения полуреакций, протекающих на электродах.

Решение

В метано-кислородном топливном элементе с кислым электролитом протекает окислительно-восстановительная реакция. Топливо, метан ($CH_4$), является восстановителем и окисляется на аноде. Окислитель, кислород ($O_2$), восстанавливается на катоде. Суммарная реакция: $CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O$.

Поскольку электролит — это раствор кислоты, в составлении уравнений полуреакций необходимо учитывать участие ионов водорода $H^+$ и молекул воды $H_2O$.

Реакция на аноде (отрицательный электрод)

На аноде происходит процесс окисления метана. Степень окисления углерода повышается с -4 (в $CH_4$) до +4 (в $CO_2$). Этот процесс сопровождается отдачей электронов.

1. Начинаем с исходного вещества и конечного продукта: $CH_4 \rightarrow CO_2$.

2. Уравниваем атомы кислорода, добавляя молекулы воды ($H_2O$) к реагентам: $CH_4 + 2H_2O \rightarrow CO_2$.

3. Уравниваем атомы водорода, добавляя ионы водорода ($H^+$) к продуктам. Слева 8 атомов водорода (4 в $CH_4$ и 4 в $2H_2O$), значит, справа нужно добавить 8 ионов $H^+$: $CH_4 + 2H_2O \rightarrow CO_2 + 8H^+$.

4. Уравниваем заряд, добавляя электроны ($e^-$). Суммарный заряд слева равен 0, справа +8. Для баланса добавляем 8 электронов в правую часть:

$CH_4 + 2H_2O \rightarrow CO_2 + 8H^+ + 8e^-$

Ответ: На аноде протекает полуреакция окисления: $CH_4 + 2H_2O \rightarrow CO_2 + 8H^+ + 8e^-$.

Реакция на катоде (положительный электрод)

На катоде происходит процесс восстановления кислорода. Степень окисления кислорода понижается с 0 (в $O_2$) до -2 (в $H_2O$). Этот процесс сопровождается присоединением электронов.

1. Начинаем с исходного вещества и конечного продукта: $O_2 \rightarrow H_2O$.

2. Уравниваем атомы кислорода, ставя коэффициент 2 перед водой: $O_2 \rightarrow 2H_2O$.

3. Уравниваем атомы водорода, используя ионы $H^+$ из кислой среды. Справа 4 атома водорода, значит, слева нужно добавить 4 иона $H^+$: $O_2 + 4H^+ \rightarrow 2H_2O$.

4. Уравниваем заряд, добавляя электроны ($e^-$). Суммарный заряд слева равен +4, справа 0. Для баланса добавляем 4 электрона в левую часть:

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

Ответ: На катоде протекает полуреакция восстановления: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$.