Номер 3, страница 234 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 6. Окислительно-восстановительные процессы. Параграф 32. Химические источники тока - номер 3, страница 234.

Условие.

3. Охарактеризуйте конструкцию марганцево-цинкового источника тока и принцип его работы.

Решение.

Решение 2.

Конструкция марганцево-цинкового источника тока

Марганцево-цинковый источник тока, также известный как солевой элемент или элемент Лекланше, является одним из самых распространенных первичных химических источников тока. Его конструкция включает в себя следующие основные компоненты:

• Отрицательный электрод (анод): им служит корпус элемента, изготовленный из цинка ($\text{Zn}$). Он является активным материалом, который окисляется в процессе работы.
• Положительный электрод (катод): представляет собой стержень из графита (угля), который погружен в активную массу. Графитовый стержень сам по себе химически инертен и выполняет функцию токоотвода.
• Активная масса (деполяризатор): это пастообразная смесь диоксида марганца ($MnO_2$) с порошком угля или сажи. Угольный порошок добавляется для увеличения электропроводности катодной массы. Диоксид марганца является деполяризатором, то есть веществом, которое принимает электроны и восстанавливается.
• Электролит: представляет собой загущенный (с помощью крахмала или муки) водный раствор хлорида аммония ($NH_4Cl$) с небольшой добавкой хлорида цинка ($ZnCl_2$). Электролит пропитывает сепаратор и активную массу, обеспечивая ионную проводимость внутри элемента.
• Сепаратор: слой пористой бумаги или картона, который пропитан электролитом. Он разделяет цинковый корпус (анод) и катодную активную массу, предотвращая короткое замыкание.

Сверху элемент герметизируется для предотвращения высыхания и вытекания электролита. Положительный вывод (полюс "+") находится на металлическом колпачке графитового стержня, а отрицательный (полюс "–") — на дне цинкового корпуса.

Ответ: Конструкция марганцево-цинкового элемента состоит из цинкового корпуса (анод), центрального угольного стержня (катод), окруженного пастой из диоксида марганца и угля (деполяризатор), и электролита на основе раствора хлорида аммония, которым пропитан сепаратор, разделяющий электроды.

Принцип работы марганцево-цинкового источника тока

Принцип работы основан на окислительно-восстановительной реакции. Когда к полюсам элемента подключается внешняя цепь, начинается движение электронов и ионов, что приводит к выработке электрического тока.

1. На отрицательном электроде (аноде) происходит процесс окисления цинка. Атомы цинка отдают два электрона и превращаются в ионы цинка, которые переходят в электролит:

$Zn_{(s)} - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}_{(aq)}$

Электроны, освободившиеся в этой реакции, движутся по внешней цепи от отрицательного полюса к положительному, создавая электрический ток.

2. На положительном электроде (катоде) происходит процесс восстановления. Электроны, пришедшие по внешней цепи к угольному стержню, вступают в реакцию с диоксидом марганца и ионами аммония из электролита:

$2MnO_{2(s)} + 2NH_{4(aq)}^{+} + 2e^- \rightarrow Mn_2O_{3(s)} + 2NH_{3(aq)} + H_2O_{(l)}$

В этой реакции диоксид марганца ($MnO_2$) восстанавливается до оксида марганца(III) ($Mn_2O_3$). Образующийся в результате реакции газообразный аммиак ($NH_3$) связывается ионами цинка, образуя комплексное соединение диамминцинкхлорид, что предотвращает повышение давления внутри элемента:

$Zn^{2+}_{(aq)} + 2NH_{3(aq)} + 2Cl^{-}_{(aq)} \rightarrow [Zn(NH_3)_2]Cl_{2(s)}$

Суммарная токообразующая реакция в элементе выглядит следующим образом:

$Zn_{(s)} + 2MnO_{2(s)} + 2NH_4Cl_{(aq)} \rightarrow Mn_2O_{3(s)} + [Zn(NH_3)_2]Cl_{2(s)} + H_2O_{(l)}$

Электродвижущая сила (ЭДС) свежего марганцево-цинкового элемента составляет около 1,5 В.

Ответ: Принцип работы основан на электрохимической реакции: на аноде окисляется цинк, отдавая электроны во внешнюю цепь, а на катоде происходит восстановление диоксида марганца с участием ионов аммония из электролита, что создает разность потенциалов и генерирует электрический ток.