Номер 207, страница 323 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.207. Запишите уравнения полуреакций на электродах и суммарное уравнение реакции, протекающей в метанольно-кислородном топливном элементе с кислотным электролитом. Один из продуктов реакции – углекислый газ.

В метанольно-кислородном топливном элементе с кислотным электролитом метанол ($CH_3OH$) выступает в роли топлива (восстановителя), а кислород ($O_2$) — в роли окислителя. Электроды, на которых протекают реакции, называются анодом и катодом.

Уравнение полуреакции на аноде

На аноде (отрицательном электроде) происходит процесс окисления метанола. Поскольку среда кислая, в реакции участвуют молекулы воды, а продуктами, кроме указанного в условии углекислого газа ($CO_2$), являются ионы водорода ($H^+$) и электроны ($e^-$).

Процесс уравнивания:

1. Баланс атомов углерода: $CH_3OH \rightarrow CO_2$ (уравнено).

2. Баланс атомов кислорода с помощью $H_2O$: $CH_3OH + H_2O \rightarrow CO_2$.

3. Баланс атомов водорода с помощью $H^+$: $CH_3OH + H_2O \rightarrow CO_2 + 6H^+$.

4. Баланс заряда с помощью электронов $e^-$: $CH_3OH + H_2O \rightarrow CO_2 + 6H^+ + 6e^-$.

Ответ: $CH_3OH + H_2O \rightarrow CO_2 + 6H^+ + 6e^-$

Уравнение полуреакции на катоде

На катоде (положительном электроде) происходит процесс восстановления кислорода. В кислой среде кислород, принимая электроны, реагирует с ионами водорода, образуя воду.

Процесс уравнивания:

1. Баланс атомов кислорода: $O_2 \rightarrow 2H_2O$.

2. Баланс атомов водорода с помощью $H^+$: $O_2 + 4H^+ \rightarrow 2H_2O$.

3. Баланс заряда с помощью электронов $e^-$: $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$.

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

Суммарное уравнение реакции

Для получения общего уравнения реакции необходимо сложить уравнения полуреакций. При этом количество электронов, отданных на аноде, должно быть равно количеству электронов, принятых на катоде. Наименьшее общее кратное для 6 (анод) и 4 (катод) электронов — это 12. Поэтому уравнение анодной реакции умножаем на 2, а катодной — на 3.

Анод: $2 \times (CH_3OH + H_2O \rightarrow CO_2 + 6H^+ + 6e^-) \Rightarrow 2CH_3OH + 2H_2O \rightarrow 2CO_2 + 12H^+ + 12e^-$

Катод: $3 \times (O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O) \Rightarrow 3O_2 + 12H^+ + 12e^- \rightarrow 6H_2O$

Складываем обе полуреакции:

$2CH_3OH + 2H_2O + 3O_2 + 12H^+ + 12e^- \rightarrow 2CO_2 + 12H^+ + 12e^- + 6H_2O$

Сокращаем одинаковые частицы ($12e^-$, $12H^+$) и молекулы воды ($H_2O$) по обеим сторонам уравнения. В итоге в правой части остается $6 - 2 = 4$ молекулы воды.

Ответ: $2CH_3OH + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 4H_2O$