Номер 8, страница 324 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 68. Химические источники тока. Электролиз. Глава 6. Теоретическое описание химических реакций - номер 8, страница 324.

Условие.

8. В метано-кислородном топливном элементе протекает реакция $CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O$. В качестве электролита используется раствор кислоты. Запишите уравнения полуреакций, протекающих на электродах.

Решение.

Решение 2.

Решение

В метан-кислородном топливном элементе протекает окислительно-восстановительная реакция. Топливо (метан, $CH_4$) окисляется на аноде, а окислитель (кислород, $O_2$) восстанавливается на катоде. Поскольку в качестве электролита используется раствор кислоты, для балансировки уравнений полуреакций мы можем использовать ионы водорода ($H^+$) и воду ($H_2O$).

Суммарное уравнение реакции дано в условии:

$CH_4 + 2O_2 = CO_2 + 2H_2O$

Чтобы составить уравнения полуреакций, определим, какие элементы меняют свою степень окисления:

1. Углерод в метане ($CH_4$) имеет степень окисления -4, а в продукте реакции, диоксиде углерода ($CO_2$), его степень окисления равна +4. Степень окисления увеличивается, значит, метан окисляется. Этот процесс происходит на аноде.

$C^{-4} \rightarrow C^{+4} + 8e^-$

2. Кислород в молекуле $O_2$ имеет степень окисления 0. В продуктах, $CO_2$ и $H_2O$, его степень окисления равна -2. Степень окисления понижается, значит, кислород восстанавливается. Этот процесс происходит на катоде.

$O_2^{0} + 4e^- \rightarrow 2O^{-2}$

Теперь запишем полные уравнения полуреакций для кислой среды.

Процесс на аноде (окисление)

На аноде (отрицательный электрод) метан окисляется до углекислого газа. Для баланса атомов кислорода добавим слева молекулы воды, а для баланса атомов водорода — справа ионы водорода. Затем уравняем заряд, добавив электроны.

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

Процесс на катоде (восстановление)

На катоде (положительный электрод) кислород восстанавливается до воды. Для баланса атомов водорода добавим слева ионы водорода, а затем уравняем заряд электронами.

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

Проверим правильность, сложив полуреакции. Для этого нужно уравнять число электронов, умножив вторую полуреакцию на 2, и затем сложить их:

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

Катод (х2): $2O_2 + 8H^+ + 8e^- \rightarrow 4H_2O$

Суммарно: $CH_4 + 2O_2 + 2H_2O + 8H^+ + 8e^- \rightarrow CO_2 + 4H_2O + 8H^+ + 8e^-$

После сокращения одинаковых частиц ($8H^+$, $8e^-$, $2H_2O$) получаем исходное уравнение: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$. Следовательно, полуреакции составлены верно.

Ответ:

Уравнения полуреакций, протекающих на электродах:

На аноде (-): $CH_4 + 2H_2O \rightarrow CO_2 + 8H^+ + 8e^-$

На катоде (+): $O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O$