Номер 220, страница 324 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.220. В высокотемпературных керамических топливных элементах с твёрдыми оксидными электролитами с ионной проводимостью метан полностью окисляется кислородом с высокой степенью превращения (75%). Напишите уравнения электродных процессов, учитывая, что проводником электричества служат ионы ${\mathrm{O}}^{2-}.$

В высокотемпературных керамических топливных элементах с твердооксидным электролитом (ТЭТЭ) в качестве топлива используется метан ($CH_4$), а в качестве окислителя — кислород ($O_2$). Согласно условию, проводником электричества служат ионы кислорода ($O^{2-}$), которые перемещаются через твердый электролит.

Процесс на катоде (положительный электрод)

На катод подается кислород (обычно из воздуха). Здесь молекулы кислорода восстанавливаются, то есть принимают электроны из внешней цепи и образуют оксид-ионы $O^{2-}$. Эти ионы затем мигрируют через твердый электролит к аноду.

Уравнение реакции на катоде:

$O_2 + 4e^{-} \rightarrow 2O^{2-}$

Процесс на аноде (отрицательный электрод)

На анод подается топливо — метан. Здесь метан окисляется оксид-ионами, которые мигрировали через электролит от катода. В условии сказано, что метан окисляется полностью, следовательно, продуктами реакции являются углекислый газ ($CO_2$) и водяной пар ($H_2O$). В ходе реакции высвобождаются электроны, которые уходят во внешнюю электрическую цепь, создавая ток.

Уравнение реакции на аноде:

$CH_4 + 4O^{2-} \rightarrow CO_2 + 2H_2O + 8e^{-}$

Суммарная реакция в топливном элементе, получаемая сложением уравнений для катода и анода с учетом баланса электронов, представляет собой полное сгорание метана:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Степень превращения (75%), указанная в условии, является характеристикой практической эффективности процесса и не влияет на написание стехиометрических уравнений электродных реакций.

Ответ:

Уравнения электродных процессов:

На катоде (+): $O_2 + 4e^{-} \rightarrow 2O^{2-}$

На аноде (–): $CH_4 + 4O^{2-} \rightarrow CO_2 + 2H_2O + 8e^{-}$