Окислительно-восстановительные реакции (ОВР). Решение.

Вот ответы на вопросы, оформленные так, чтобы было удобно переписать в тетрадь школьнику, с использованием MathJax для формул и без Markdown. 10. Окислительно-восстановительные реакции. Окислительно-восстановительные реакции (ОВР) – это химические реакции, в ходе которых происходит изменение степеней окисления атомов элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Это означает, что одни атомы отдают электроны (окисляются), а другие атомы принимают электроны (восстанавливаются). Основные понятия: * Окисление – процесс отдачи электронов атомом, ионом или молекулой. При окислении степень окисления элемента повышается. * Восстановление – процесс присоединения электронов атомом, ионом или молекулой. При восстановлении степень окисления элемента понижается. * Окислитель – вещество, которое принимает электроны и при этом восстанавливается. * Восстановитель – вещество, которое отдает электроны и при этом окисляется. Пример ОВР: Реакция взаимодействия цинка с соляной кислотой: \[ \text{Zn} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2 \] Определим степени окисления элементов: * В \(\text{Zn}\) (простое вещество) степень окисления 0. * В \(\text{HCl}\): \(\text{H}\) имеет степень окисления +1, \(\text{Cl}\) имеет степень окисления -1. * В \(\text{ZnCl}_2\): \(\text{Zn}\) имеет степень окисления +2, \(\text{Cl}\) имеет степень окисления -1. * В \(\text{H}_2\) (простое вещество) степень окисления 0. Изменения степеней окисления: * \(\text{Zn}^0 \rightarrow \text{Zn}^{+2}\) (отдал 2 электрона, окислился) * \(\text{H}^{+1} \rightarrow \text{H}^0\) (принял 1 электрон, восстановился) Электронный баланс: \[ \text{Zn}^0 - 2\text{e}^- \rightarrow \text{Zn}^{+2} \quad | \quad 1 \quad (\text{восстановитель, окисляется}) \] \[ 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{H}_2^0 \quad | \quad 1 \quad (\text{окислитель, восстанавливается}) \] В этой реакции цинк является восстановителем, а ионы водорода (\(\text{H}^+\)) из соляной кислоты – окислителем. 11. Электродные потенциалы. Гальванические элементы. Электродные потенциалы. Электродный потенциал – это разность электрических потенциалов, возникающая на границе раздела между электродом (металлом или другим проводником) и раствором электролита, в который он погружен. Эта разность потенциалов возникает из-за перехода ионов металла в раствор или осаждения ионов из раствора на металл, а также из-за перехода электронов. Стандартный электродный потенциал (\(E^0\)) – это электродный потенциал, измеренный при стандартных условиях: температура 25 °C (298 K), концентрация ионов в растворе 1 моль/л, парциальное давление газов 1 атмосфера (101325 Па). Стандартный водородный электрод (СВЭ) принят за эталон, его стандартный электродный потенциал равен нулю: \[ E^0(\text{H}^+/\text{H}_2) = 0 \text{ В} \] Значения стандартных электродных потенциалов позволяют предсказывать направление протекания окислительно-восстановительных реакций и рассчитывать ЭДС гальванических элементов. Гальванические элементы. Гальванический элемент (или электрохимический элемент, химический источник тока) – это устройство, которое преобразует химическую энергию окислительно-восстановительной реакции в электрическую энергию. Он состоит из двух полуэлементов (электродов), погруженных в растворы электролитов, соединенных между собой солевым мостиком и внешним проводником. Принцип работы гальванического элемента: В гальваническом элементе протекает самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция. Электрод, на котором происходит окисление (отдача электронов), называется анодом (отрицательный полюс). Электрод, на котором происходит восстановление (прием электронов), называется катодом (положительный полюс). Электроны движутся от анода к катоду по внешнему проводнику, создавая электрический ток. Пример гальванического элемента – элемент Даниэля-Якоби: Он состоит из цинкового электрода, погруженного в раствор сульфата цинка (\(\text{ZnSO}_4\)), и медного электрода, погруженного в раствор сульфата меди (\(\text{CuSO}_4\)). Полуэлементы соединены солевым мостиком (например, с раствором \(\text{KCl}\)) и внешним проводником. Реакции в элементе Даниэля: * На аноде (цинк): \(\text{Zn} - 2\text{e}^- \rightarrow \text{Zn}^{2+}\) (окисление) * На катоде (медь): \(\text{Cu}^{2+} + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Cu}\) (восстановление) Суммарная реакция: \[ \text{Zn} + \text{Cu}^{2+} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{Cu} \] Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента: ЭДС гальванического элемента (\(E\)) – это максимальная разность потенциалов между электродами, которая может быть получена от элемента. Она рассчитывается как разность стандартных электродных потенциалов катода и анода: \[ E^0_{\text{элемента}} = E^0_{\text{катода}} - E^0_{\text{анода}} \] Для элемента Даниэля: \(E^0(\text{Cu}^{2+}/\text{Cu}) = +0.34 \text{ В}\) \(E^0(\text{Zn}^{2+}/\text{Zn}) = -0.76 \text{ В}\) \[ E^0_{\text{элемента}} = (+0.34 \text{ В}) - (-0.76 \text{ В}) = +1.10 \text{ В} \] Положительное значение ЭДС указывает на самопроизвольность протекания реакции в данном направлении.