Используя Интернет, страница 103 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Тестовые задания. Параграф 22. Химические источники тока. Глава V. Электрохимические реакции - страница 103.

Условие.

Используя дополнительные источники информации, разберитесь, как устроен гальванический элемент Даниэля—Якоби, и нарисуйте схему его работы. Обсудите результаты работы с соседом по парте. Подготовьте электронную презентацию на тему «Применение химических источников тока».

Решение.

Решение 2.

Устройство и принцип работы гальванического элемента Даниэля—Якоби

Решение

Гальванический элемент Даниэля—Якоби — это классический химический источник тока, преобразующий энергию химической реакции в электрическую энергию. Он был предложен английским химиком Джоном Фредериком Даниэлем в 1836 году и усовершенствован русским физиком Борисом Семёновичем Якоби.

Устройство элемента

Элемент состоит из двух полуэлементов (полуячеек), соединенных внешним проводником и солевым мостом (или разделенных пористой перегородкой).

• Отрицательный электрод (анод): Цинковая пластина ($Zn$), погруженная в раствор сульфата цинка ($ZnSO_4$).
• Положительный электрод (катод): Медная пластина ($Cu$), погруженная в раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$).
• Солевой мост: U-образная трубка, заполненная гелем с раствором инертной соли (например, хлорида калия $KCl$ или сульфата натрия $Na_2SO_4$). Мост соединяет два раствора, позволяя ионам перемещаться между полуэлементами для поддержания электронейтральности, но предотвращает смешивание растворов.
• Внешняя цепь: Электроды соединяются металлическим проводником, по которому движутся электроны. В цепь можно включить потребитель тока (например, вольтметр или лампочку).

Принцип работы

Работа элемента основана на окислительно-восстановительной реакции. Цинк является более активным металлом, чем медь, поэтому он легче отдает электроны (окисляется).

1. На аноде (отрицательном полюсе) происходит окисление цинка. Атомы цинка с поверхности пластины отдают два электрона и переходят в раствор в виде ионов $Zn^{2+}$:
   $A(-): Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$
   Цинковая пластина постепенно растворяется, а концентрация ионов $Zn^{2+}$ в растворе увеличивается. Электрод приобретает отрицательный заряд из-за избытка электронов.
2. Электроны, освободившиеся на аноде, по внешней цепи перемещаются к катоду (положительному полюсу).
3. На катоде происходит восстановление ионов меди. Ионы меди $Cu^{2+}$ из раствора сульфата меди принимают электроны и превращаются в атомы металлической меди, которые оседают на поверхности медной пластины:
   $K(+): Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$
   Медная пластина утолщается, а концентрация ионов $Cu^{2+}$ в растворе уменьшается.
4. Роль солевого моста: Чтобы компенсировать изменение зарядов в растворах (избыток положительных ионов $Zn^{2+}$ у анода и недостаток положительных ионов $Cu^{2+}$ у катода), ионы из солевого моста начинают двигаться. Анионы (например, $SO_4^{2-}$) движутся в сторону анода, а катионы (например, $Na^+$) — в сторону катода, замыкая электрическую цепь и обеспечивая её непрерывную работу.

Суммарное уравнение реакции:

$Zn^0 + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu^0$

Или в ионном виде:

$Zn^0 + Cu^{2+} \rightarrow Zn^{2+} + Cu^0$

Электродвижущая сила (ЭДС) такого элемента в стандартных условиях ($1$ моль/л, $25^\circ C$) составляет примерно $1,1$ В.

Схема работы элемента Даниэля—Якоби

На схеме: 1 - вольтметр, 2 - солевой мост, 3 - катод (медный электрод), 4 - анод (цинковый электрод), 5 - раствор сульфата меди(II), 6 - раствор сульфата цинка. e⁻ — направление движения электронов; анионы и катионы — направление движения ионов в солевом мосту.

Ответ: Гальванический элемент Даниэля—Якоби состоит из цинкового анода в растворе сульфата цинка и медного катода в растворе сульфата меди, соединенных солевым мостом. Электрический ток возникает за счет окисления цинка на аноде ($Zn - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$) и восстановления ионов меди на катоде ($Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$), а электроны перемещаются по внешней цепи от цинка к меди.

---

Подготовьте электронную презентацию на тему «Применение химических источников тока»

Решение

Ниже представлен план-конспект для электронной презентации на заданную тему. Он включает структуру и содержание каждого слайда.

План презентации: «Применение химических источников тока»

Слайд 1: Титульный лист

• Тема: «Применение химических источников тока»
• Автор(ы): Ф.И.О.
• Учебное заведение, класс

Слайд 2: Введение

• Что такое химический источник тока (ХИТ)? Это устройство, в котором энергия химической окислительно-восстановительной реакции напрямую преобразуется в электрическую энергию.
• Классификация ХИТ:
  • Первичные (гальванические элементы) – одноразовые, не подлежат перезарядке.
  • Вторичные (аккумуляторы) – многоразовые, перезаряжаемые.
  • Топливные элементы.

Слайд 3: Первичные источники тока (Батарейки)

• Принцип действия: необратимая химическая реакция.
• Примеры и применение:
  • Солевые (марганцево-цинковые): Дешевые, для устройств с низким потреблением тока (пульты ДУ, настенные часы, простые игрушки).
  • Щелочные (алкалиновые): Большая ёмкость и срок службы. Для устройств со средним и высоким потреблением (фотоаппараты, плееры, мощные фонари).
  • Литиевые: Высокая плотность энергии, долгий срок хранения, работа при низких температурах. Применение: материнские платы компьютеров, кардиостимуляторы, часы, калькуляторы.

Слайд 4: Вторичные источники тока (Аккумуляторы)

• Принцип действия: обратимая химическая реакция, возможность многократной зарядки.
• Примеры и применение:
  • Свинцово-кислотные: Автомобильные аккумуляторы (запуск двигателя), источники бесперебойного питания (ИБП).
  • Никель-металлгидридные (Ni-MH): Электроинструменты, гибридные автомобили.
  • Литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-Po): Доминируют на рынке портативной электроники (смартфоны, ноутбуки), электротранспорт (электромобили, дроны).

Слайд 5: Топливные элементы

• Особенность: Работают до тех пор, пока подаются реагенты (топливо и окислитель) извне.
• Пример: Водородно-кислородный топливный элемент. Реакция: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O +$ энергия.
• Применение: Космическая отрасль (например, на МКС и в "Спейс шаттл"), резервное энергоснабжение, экологически чистый транспорт (водородные автомобили).

Слайд 6: Будущее химических источников тока

• Основные направления развития:
  • Увеличение ёмкости и плотности энергии.
  • Повышение безопасности (предотвращение возгораний).
  • Ускорение процесса зарядки.
  • Снижение стоимости и использование более доступных материалов.
• Перспективные технологии: твердотельные аккумуляторы, натрий-ионные, литий-серные.

Слайд 7: Заключение и экологические аспекты

• ХИТ — неотъемлемая часть современного мира.
• Проблема утилизации: Батарейки и аккумуляторы содержат токсичные вещества (тяжелые металлы, кислоты, щелочи). Нельзя выбрасывать с бытовым мусором.
• Важность переработки: Необходимо сдавать использованные батарейки в специальные пункты приема для безопасной утилизации и извлечения ценных компонентов.

Слайд 8: Спасибо за внимание!

• Готов(а) ответить на ваши вопросы.

Ответ: Представлен подробный пошаговый план для создания электронной презентации, охватывающий введение в химические источники тока, их классификацию, примеры применения различных типов (первичных, вторичных, топливных элементов), перспективы развития и экологические вопросы, связанные с их утилизацией.