Номер 9, страница 71 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 10. Окислительно-восстановительные реакции. Электролиз. Глава 2. Химические реакции - номер 9, страница 71.

Условие.

9. На окислительно-восстановительных реакциях основана работа химических источников тока — гальванических элементов и аккумуляторов. Поинтересуйтесь, к какому типу относятся используемые вами гальванические элементы и аккумуляторы. Какие химические реакции в них происходят?

Решение.

Решение 2.

Работа химических источников тока основана на преобразовании химической энергии окислительно-восстановительных реакций в электрическую. Источники тока делятся на два основных типа:

• Гальванические элементы (первичные источники) — устройства одноразового использования, в которых химические реакции необратимы.
• Аккумуляторы (вторичные источники) — устройства многоразового использования, в которых химические реакции обратимы, что позволяет их перезаряжать.

Рассмотрим наиболее распространенные типы гальванических элементов и аккумуляторов, используемых в быту.

1. Гальванические элементы (батарейки)

а) Солевой (цинково-марганцевый) элемент (элемент Лекланше)

Это классические недорогие батарейки, часто называемые "солевыми".

• Анод (-) (восстановитель): цинковый стаканчик ($Zn$).
• Катод (+) (окислитель): графитовый стержень, окруженный пастой из диоксида марганца ($MnO_2$) и угольного порошка.
• Электролит: водный раствор хлорида аммония ($NH_4Cl$) и хлорида цинка ($ZnCl_2$), загущенный крахмалом.

В ходе работы элемента протекают следующие окислительно-восстановительные реакции:

На аноде (окисление цинка):

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$

На катоде (восстановление марганца):

$2MnO_2 + 2NH_4^+ + 2e^- \rightarrow Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O$

Суммарное уравнение реакции:

$Zn + 2MnO_2 + 2NH_4Cl \rightarrow Mn_2O_3 + [Zn(NH_3)_2]Cl_2 + H_2O$

Ответ: Солевые батарейки относятся к цинково-марганцевым гальваническим элементам. В их основе лежит реакция окисления цинка и восстановления диоксида марганца в среде электролита на основе хлорида аммония.

б) Щелочной (алкалиновый) элемент

Это более современные и емкие батарейки (например, типа AA, AAA с пометкой "Alkaline").

• Анод (-) (восстановитель): цинковый порошок ($Zn$).
• Катод (+) (окислитель): диоксид марганца ($MnO_2$).
• Электролит: водный раствор гидроксида калия ($KOH$).

Использование порошкообразного цинка увеличивает площадь контакта с электролитом и позволяет отдавать больший ток. Реакции в щелочной среде:

На аноде (окисление цинка):

$Zn + 2OH^- - 2e^- \rightarrow ZnO + H_2O$

На катоде (восстановление марганца):

$2MnO_2 + H_2O + 2e^- \rightarrow Mn_2O_3 + 2OH^-$

Суммарное уравнение реакции:

$Zn + 2MnO_2 \rightarrow ZnO + Mn_2O_3$

Ответ: Щелочные (алкалиновые) батарейки — это разновидность марганцево-цинковых элементов, использующих в качестве электролита гидроксид калия. В них происходит окисление цинка и восстановление диоксида марганца.

2. Аккумуляторы (перезаряжаемые источники тока)

а) Свинцово-кислотный аккумулятор

Широко используется в автомобилях для запуска двигателя и питания бортовой электроники.

• Анод (-) (восстановитель при разряде): губчатый свинец ($Pb$).
• Катод (+) (окислитель при разряде): диоксид свинца ($PbO_2$).
• Электролит: водный раствор серной кислоты ($H_2SO_4$).

Процесс разряда (работа аккумулятора):

На аноде (-):

$Pb + SO_4^{2-} - 2e^- \rightarrow PbSO_4$

На катоде (+):

$PbO_2 + 4H^+ + SO_4^{2-} + 2e^- \rightarrow PbSO_4 + 2H_2O$

Суммарная реакция разряда:

$Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2PbSO_4 + 2H_2O$

Процесс заряда (восстановление):

При подключении к внешнему источнику тока реакции идут в обратном направлении, восстанавливая исходные вещества:

$2PbSO_4 + 2H_2O \rightarrow Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4$

Ответ: Автомобильные аккумуляторы относятся к свинцово-кислотному типу. Их работа основана на обратимой реакции между свинцом, диоксидом свинца и серной кислотой с образованием сульфата свинца и воды при разряде.

б) Литий-ионный аккумулятор (Li-ion)

Наиболее распространенный тип аккумуляторов в современной портативной электронике: смартфонах, ноутбуках, планшетах.

• Анод (-) (при разряде): графит, в кристаллическую решетку которого внедрены (интеркалированы) атомы лития ($LiC_6$).
• Катод (+) (при разряде): оксид переходного металла (например, кобальта $CoO_2$), в решетку которого также могут внедряться ионы лития.
• Электролит: раствор соли лития (например, $LiPF_6$) в органическом растворителе.

Принцип работы основан не на классической химической реакции, а на перемещении ионов лития ($Li^+$) между катодом и анодом.

Процесс разряда (упрощенно):

Ионы лития покидают графитовый анод, движутся через электролит и внедряются в решетку оксида на катоде. Электроны движутся по внешней цепи, создавая ток.

На аноде (-):

$Li_xC_6 \rightarrow xLi^+ + 6C + xe^-$

На катоде (+):

$CoO_2 + xLi^+ + xe^- \rightarrow Li_xCoO_2$

Процесс заряда:

Ионы лития под действием внешнего напряжения движутся в обратном направлении — от катода к аноду, и снова внедряются в решетку графита.

$Li_xCoO_2 + C_6 \rightarrow CoO_2 + Li_xC_6$

Ответ: Аккумуляторы в смартфонах и ноутбуках — это литий-ионные аккумуляторы. Их работа основана на обратимом процессе переноса ионов лития между анодом (графитом) и катодом (оксидом металла), что является частным случаем окислительно-восстановительных процессов.