Номер 217, страница 324 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.217. В гальваническом элементе происходит реакция: $\mathrm{Cu}+2{\mathrm{Ag}}^{+}={\mathrm{Cu}}^{2+}+2\mathrm{Ag}.$ Какая полуреакция происходит на катоде, а какая на аноде? Может ли данная реакция идти в обратную сторону?

Дано:

Суммарное уравнение реакции в гальваническом элементе:

$Cu + 2Ag⁺ = Cu²⁺ + 2Ag$

Стандартные электродные потенциалы (справочные данные):

$E°(Cu²⁺/Cu) = +0.34 \, В$

$E°(Ag⁺/Ag) = +0.80 \, В$

Найти:

1. Полуреакцию на катоде и полуреакцию на аноде.

2. Возможность протекания реакции в обратную сторону.

Решение:

Какая полуреакция происходит на катоде, а какая на аноде?

В гальваническом элементе на аноде всегда происходит процесс окисления (отдача электронов), а на катоде — процесс восстановления (принятие электронов). Для определения процессов рассмотрим изменение степеней окисления участников реакции $Cu + 2Ag⁺ = Cu²⁺ + 2Ag$.

1. Атом меди ($Cu$) имеет степень окисления $0$ и в ходе реакции превращается в ион меди ($Cu^{2+}$) со степенью окисления $+2$. При этом он отдает два электрона:

$Cu^0 - 2e⁻ → Cu^{2+}$

Этот процесс является окислением. Следовательно, на аноде происходит окисление меди. Медный электрод является анодом.

2. Ион серебра ($Ag⁺$) имеет степень окисления $+1$ и в ходе реакции превращается в атом серебра ($Ag$) со степенью окисления $0$. При этом он принимает один электрон:

$Ag⁺ + e⁻ → Ag^0$

Этот процесс является восстановлением. Следовательно, на катоде происходит восстановление серебра. Серебряный электрод является катодом.

Ответ: На аноде происходит полуреакция окисления меди: $Cu - 2e⁻ → Cu^{2+}$. На катоде происходит полуреакция восстановления ионов серебра: $Ag⁺ + e⁻ → Ag$.

Может ли данная реакция идти в обратную сторону?

Обратная реакция записывается как:

$Cu^{2+} + 2Ag → Cu + 2Ag⁺$

Реакция в гальваническом элементе протекает самопроизвольно, если ее электродвижущая сила (ЭДС) имеет положительное значение. ЭДС элемента рассчитывается по формуле: $ЭДС = E_{катод} - E_{анод}$, где $E$ — электродные потенциалы.

Для исходной (прямой) реакции катодом является серебро, а анодом — медь. Рассчитаем ЭДС для стандартных условий, используя стандартные электродные потенциалы:

$ЭДС_{прямая} = E°(Ag⁺/Ag) - E°(Cu^{2+}/Cu) = 0.80 \, В - 0.34 \, В = +0.46 \, В$.

Так как $ЭДС_{прямая} > 0$, прямая реакция протекает самопроизвольно.

Для обратной реакции роли катода и анода меняются. Теперь медь будет восстанавливаться (катод), а серебро — окисляться (анод).

Рассчитаем ЭДС для обратной реакции:

$ЭДС_{обратная} = E°_{катод} - E°_{анод} = E°(Cu^{2+}/Cu) - E°(Ag⁺/Ag) = 0.34 \, В - 0.80 \, В = -0.46 \, В$.

Так как $ЭДС_{обратная} < 0$, обратная реакция не может протекать самопроизвольно. Она возможна только в процессе электролиза, то есть при приложении к системе внешнего электрического тока с напряжением, превышающим $0.46 \, В$.

Ответ: Нет, данная реакция не может самопроизвольно идти в обратную сторону, так как ЭДС этого процесса отрицательна ($ЭДС = -0.46 \, В$).