Страница 94 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Укажите уравнения реакций, которые можно использовать в химических источниках тока:

а) $NaOH + HCl = NaCl + H_2O$;

б) $Fe + 2HCl = FeCl_2 + H_2 \uparrow$;

в) $CuCl_2 + 2NaOH = Cu(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$;

г) $CuCl_2 + Zn = Cu + ZnCl_2$.

Решение

Для того чтобы химическую реакцию можно было использовать в химических источниках тока (гальванических элементах), она должна быть окислительно-восстановительной (ОВР) и протекать самопроизвольно. В таких реакциях происходит перенос электронов от восстановителя к окислителю. Если пространственно разделить процессы окисления и восстановления, то этот перенос электронов можно направить по внешней цепи, создавая электрический ток. Проанализируем каждую из предложенных реакций.

а) $NaOH + HCl = NaCl + H_2O$

Данная реакция является реакцией нейтрализации между основанием и кислотой. Чтобы определить, является ли она окислительно-восстановительной, проанализируем степени окисления элементов: $Na^{+1}O^{-2}H^{+1} + H^{+1}Cl^{-1} = Na^{+1}Cl^{-1} + H_2^{+1}O^{-2}$. Степени окисления всех элементов в ходе реакции не изменяются. Следовательно, эта реакция не является ОВР и не может быть использована для создания химического источника тока. Ответ: нельзя использовать.

б) $Fe + 2HCl = FeCl_2 + H_2\uparrow$

Эта реакция является окислительно-восстановительной. Происходит изменение степеней окисления: железо окисляется, а ионы водорода восстанавливаются. $Fe^0 + 2H^{+1}Cl^{-1} = Fe^{+2}Cl_2^{-1} + H_2^0$.

Процессы, происходящие на электродах:

Окисление на аноде (-): $Fe^0 - 2e^- \rightarrow Fe^{+2}$.

Восстановление на катоде (+): $2H^{+1} + 2e^- \rightarrow H_2^0$.

Поскольку это самопроизвольная ОВР, ее можно использовать в химическом источнике тока, если пространственно разделить окислитель и восстановитель. Ответ: можно использовать.

в) $CuCl_2 + 2NaOH = Cu(OH)_2\downarrow + 2NaCl$

Это реакция ионного обмена, в результате которой выпадает осадок гидроксида меди(II). Проверим степени окисления: $Cu^{+2}Cl_2^{-1} + 2Na^{+1}O^{-2}H^{+1} = Cu^{+2}(O^{-2}H^{+1})_2 + 2Na^{+1}Cl^{-1}$. Степени окисления всех атомов в ходе реакции остаются неизменными. Реакция не является окислительно-восстановительной и не может быть использована в химическом источнике тока. Ответ: нельзя использовать.

г) $CuCl_2 + Zn = Cu + ZnCl_2$

Эта реакция является окислительно-восстановительной. Цинк, как более активный металл, вытесняет медь из раствора ее соли. Происходит изменение степеней окисления: цинк окисляется, а ионы меди восстанавливаются. $Cu^{+2}Cl_2^{-1} + Zn^0 = Cu^0 + Zn^{+2}Cl_2^{-1}$.

Процессы, происходящие на электродах:

Окисление на аноде (-): $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$.

Восстановление на катоде (+): $Cu^{+2} + 2e^- \rightarrow Cu^0$.

Данная самопроизвольная ОВР лежит в основе работы классического медно-цинкового гальванического элемента (элемента Даниэля-Якоби). Следовательно, ее можно использовать в химическом источнике тока. Ответ: можно использовать.

2. В одном из простейших гальванических элементов протекает реакция: $Zn + CuSO_4 = ZnSO_4 + Cu$. Опишите устройство этого элемента и составьте уравнения полуреакций, которые в нём происходят. Назовите катод и анод.

В основе работы гальванического элемента, описанного уравнением $Zn + CuSO_4 = ZnSO_4 + Cu$, лежит принцип работы элемента Даниэля-Якоби.

Устройство этого элемента

Данный гальванический элемент состоит из двух полуэлементов, соединенных между собой для создания замкнутой электрической цепи.

• Первый полуэлемент (анодный) состоит из цинковой пластины (электрода), погруженной в раствор соли цинка, например, сульфата цинка ($ZnSO_4$).
• Второй полуэлемент (катодный) состоит из медной пластины (электрода), погруженной в раствор соли меди(II), например, сульфата меди(II) ($CuSO_4$).
• Электроды соединяются во внешней цепи металлическим проводником, по которому происходит направленное движение электронов.
• Растворы электролитов в полуэлементах соединяются солевым мостиком (например, U-образной трубкой, заполненной раствором $KCl$ или $K_2SO_4$ в агар-агаре). Солевой мостик обеспечивает ионную проводимость между полуэлементами, замыкает цепь и поддерживает электронейтральность растворов путем миграции ионов.

Уравнения полуреакций, которые в нём происходят

Для определения полуреакций запишем ионное уравнение процесса:

$Zn^0 + Cu^{2+} + SO_4^{2-} = Zn^{2+} + SO_4^{2-} + Cu^0$

Сокращенное ионное уравнение, отражающее суть процесса:

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

Из этого уравнения видно, что цинк окисляется, а ионы меди восстанавливаются. Процесс можно разделить на две полуреакции:

1. Полуреакция окисления: Атомы цинка отдают два электрона.
2. $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$
3. Полуреакция восстановления: Ионы меди(II) принимают два электрона.
4. $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

Назовите катод и анод

В электрохимии электроды именуются в зависимости от протекающего на них процесса:

• Анод — это электрод, на котором происходит окисление. В данном элементе это цинковый электрод. В гальванических элементах анод является отрицательным полюсом (-), так как он является источником электронов для внешней цепи.
• Катод — это электрод, на котором происходит восстановление. В данном элементе это медный электрод. В гальванических элементах катод является положительным полюсом (+), так как на него приходят электроны из внешней цепи.

Ответ:

Устройство элемента: цинковый электрод, погруженный в раствор соли цинка (например, $ZnSO_4$), и медный электрод, погруженный в раствор соли меди (например, $CuSO_4$). Электроды соединены внешним проводником, а растворы – солевым мостиком.

Уравнения полуреакций:

Процесс окисления на аноде: $Zn - 2e^- \rightarrow Zn^{2+}$

Процесс восстановления на катоде: $Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$

Анодом (-) является цинковый электрод, катодом (+) – медный электрод.

3. Напишите два уравнения реакций, соответствующих сокращённому ионному уравнению: $Zn + Fe^{2+} = Zn^{2+} + Fe$.

Решение

Заданное сокращенное ионное уравнение $Zn + Fe^{2+} = Zn^{2+} + Fe$ описывает реакцию замещения, в которой более активный металл цинк ($Zn$) вытесняет менее активный металл железо ($Fe$) из раствора его соли. Чтобы составить полные молекулярные уравнения, необходимо к ионам $Fe^{2+}$ и $Zn^{2+}$ добавить анионы, которые образуют растворимые соли и не участвуют в реакции (являются ионами-наблюдателями).

Такими анионами могут быть, например, сульфат-ион ($SO_4^{2-}$), хлорид-ион ($Cl^{-}$) или нитрат-ион ($NO_3^{-}$), так как соли железа(II) и цинка с этими анионами хорошо растворимы в воде.

1. Первое уравнение реакции (с сульфат-ионами)

Выберем в качестве противоиона сульфат-ион $SO_4^{2-}$. Исходным веществом будет сульфат железа(II) ($FeSO_4$), а продуктом — сульфат цинка ($ZnSO_4$).

Молекулярное уравнение реакции:

$Zn + FeSO_4 = ZnSO_4 + Fe$

Чтобы убедиться в правильности, запишем полное ионное уравнение. Так как $FeSO_4$ и $ZnSO_4$ — растворимые соли, они диссоциируют на ионы:

$Zn^0 + Fe^{2+} + SO_4^{2-} = Zn^{2+} + SO_4^{2-} + Fe^0$

Сократив ионы-наблюдатели ($SO_4^{2-}$), получим исходное сокращенное ионное уравнение.

Ответ: $Zn + FeSO_4 = ZnSO_4 + Fe$.

2. Второе уравнение реакции (с хлорид-ионами)

Выберем в качестве противоиона хлорид-ион $Cl^{-}$. Исходным веществом будет хлорид железа(II) ($FeCl_2$), а продуктом — хлорид цинка ($ZnCl_2$).

Молекулярное уравнение реакции:

$Zn + FeCl_2 = ZnCl_2 + Fe$

Запишем полное ионное уравнение. Соли $FeCl_2$ и $ZnCl_2$ растворимы:

$Zn^0 + Fe^{2+} + 2Cl^{-} = Zn^{2+} + 2Cl^{-} + Fe^0$

Сократив ионы-наблюдатели ($2Cl^{-}$), мы также получим исходное сокращенное ионное уравнение.

Ответ: $Zn + FeCl_2 = ZnCl_2 + Fe$.