Номер 219, страница 324 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.219. В водородно-кислородном топливном элементе в качестве электролита с ионной проводимостью используется расплавленный карбонат. Топливом служит водород, а кислород смешан с ${\mathrm{CO}}_2.$ Напишите уравнения электродных реакций и уравнение суммарной реакции.

Решение

В водородно-кислородном топливном элементе с расплавленным карбонатным электролитом ионную проводимость обеспечивают карбонат-ионы ($CO_3^{2-}$). Водород ($H_2$) служит топливом и окисляется на аноде. Кислород ($O_2$), смешанный с диоксидом углерода ($CO_2$), является окислителем и восстанавливается на катоде.

Уравнения электродных реакций

На электродах протекают следующие полуреакции:

1. На аноде (отрицательный электрод) происходит окисление водорода. Молекулы водорода реагируют с карбонат-ионами из электролита, в результате чего образуются вода, диоксид углерода и высвобождаются электроны, которые уходят во внешнюю цепь:

$H_2 + CO_3^{2-} \rightarrow H_2O + CO_2 + 2e^-$

2. На катоде (положительный электрод) происходит восстановление кислорода. Для этого процесса необходимы кислород, диоксид углерода и электроны, приходящие по внешней цепи от анода. В результате реакции регенерируются карбонат-ионы, которые мигрируют через электролит к аноду, замыкая ионный контур:

$1/2 O_2 + CO_2 + 2e^- \rightarrow CO_3^{2-}$

Ответ:

Уравнение реакции на аноде: $H_2 + CO_3^{2-} \rightarrow H_2O + CO_2 + 2e^-$

Уравнение реакции на катоде: $1/2 O_2 + CO_2 + 2e^- \rightarrow CO_3^{2-}$

Уравнение суммарной реакции

Суммарное уравнение реакции в топливном элементе получается путем сложения уравнений анодного и катодного процессов. Необходимо, чтобы количество отданных на аноде электронов было равно количеству принятых на катоде электронов (в данном случае в обеих реакциях участвуют 2 электрона).

Сложим анодную и катодную полуреакции:

$(H_2 + CO_3^{2-}) + (1/2 O_2 + CO_2 + 2e^-) \rightarrow (H_2O + CO_2 + 2e^-) + (CO_3^{2-})$

Далее сократим частицы, которые присутствуют в обеих частях уравнения ($CO_3^{2-}$, $CO_2$ и $2e^-$). Это показывает, что данные вещества участвуют в переносе заряда, но не расходуются в общем процессе.

В результате получаем суммарное уравнение:

$H_2 + 1/2 O_2 \rightarrow H_2O$

Часто это уравнение записывают с целочисленными коэффициентами, для чего все уравнение умножают на 2:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Ответ: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$.