Изпит по химия 2015 AP, въпрос със свободен отговор 1а

Метално-въздушните батерии са относително нов тип на портативни енергийни източници, които се състоят от метален анод, алкална електролитна паста, която съдържа вода, и пропусклива катодна мембрана, която пропуска кислород от въздуха. По-долу е показана схема на такава клетка и различните ѝ части където виждаме металния анод. Това е отрицателният извод на нашата батерия. Това е източникът на електрони. Има алкална електролитна паста, която съдържа вода. Нека го подчертая, това съдържа много интересни думи. Алкална електролитна паста, която съдържа вода. Това е тук в средата. Когато казват алкална, това означава, че тя е основна, а не киселинна. Ще има рН над 7. Електролитна паста. Електролитът е нещо, което, когато се разтвори в полярен разтворител, например във вода, полученият разтвор е добър проводник на електричество. Тук ни казват, че тази електролитна паста ще провежда добре електричество, и също, че е алкална, т.е. има основен характер. Има рН по-високо от седем. Порьозната катодна мембрана пропуска кислород от въздуха. Този катод ще бъде положителният извод. Тук ще се привличат електроните, и това е пропусклива мембрана, която пропуска кислород от въздуха. Можем да видим, че в мембраната има кислород. Той някак се вмъква вътре, защото тя е порьозна. В таблицата са дадени редукционните потенциали за катода и три възможни метални анода. Запомни, това са редукционни потенциали. Редукцията е получаване на електрони. Значи това е потенциалът за получаване на електрони, можем да го разглеждаме като реакция, в която участват електрони, които се усвояват по някакъв начин. И тук имаме молекулен кислород, който реагира с вода. За всяка молекула кислород имаме две молекули вода. Имаме четири електрона, които при реакцията образуват четири хидроксидни аниона. Повтарям, това е редукционна реакция, тъй като тези електрони се включват в молекулата. И оставаме с тези хидроксиди тук. И ако погледнем нашата метално-въздушна батерия, какво се случва? Трябват ни кислород, вода и електрони. Ако погледнеш катода, тук пристигат електрони, постъпва кислород и можем да кажем, че има вода. Електролитната паста съдържа вода. Катодът е порьозен, той е изграден от пропусклива мембрана. Значи това имаме тук. И можем да предположим, че реакцията може да протече направо тук на катода. Нека да напиша, О2 в газообразна форма. За всяка молекула О2 имаме две молекули вода. Електроните постъпват по този проводник, и се получават 4 хидроксидни аниони. Четири хидроксидни аниони. Те са в разтвор. Те са част от тази електролитна паста, която съдържа вода. Това е воден разтвор, разтвор на водна основа. И това се случва точно тук, така че имаме хидроксидни аниони, мога даже да кажа четири хидроксидни аниона които се образуват всеки път, когато протича тази реакция. И ни дават редукционния потенциал. Той е положителен, имаме положителен волтаж. Обърни внимание, че редукционният потенциал е при рН=11. Това съответства на алкалните условия, тъй като тази паста може да прониква тук в някаква степен и очевидно се получават всички тези хидроксидни йони. Така че ще има високо рН, силно основно рН. Дадено е също, че волтажът е положителен, + 0,34 волта, което означава, че потенциалът действа в тази посока. Електрическият потенциал благоприятства протичането на реакцията от ляво надясно. Също ни дават редукционните потенциали на катода, както току-що казах това са редукционните потенциали на катода и са дадени три възможни анода. Има три възможни метални анода. Анодът може да бъде от цинк, натрий и калций, и нека да започнем с цинка, който е пръв в таблицата. Ако предположим, че металът тук е цинк, какво се случва? Цинкът ще реагира с тези хидроксиди, които се получават на катода, и от тях ще се получат цинков оксид, вода и електрони. Значи ще имаме реакция, обратна на тази. Нека го запиша – обратната реакция на това. Ще имаме цинк (в твърдо състояние). Целият анод е изграден от цинк. И след това за всяка молекула от това ще имаме два хидроксидни аниона, които се дисоциират във водата. Затова електролитната паста е алкална. И след това те ще реагират и се получава цинков оксид. Цинковият оксид (в твърдо състояние) плюс вода плюс два електрона. Тази реакция ще протича точно тук. Можем да ги разглеждаме като хидроксидни аниони, които се получават на катода и след това се преместват наляво към анода, където реагират с цинка, и се получава цинков оксид, затова се образува повече и повече цинков оксид и вода, която се просмуква обратно в електролитната паста и може евентуално да реагира на катода, и след това имаме тези два електрона. И това се превръща в източник на електрони и електроните мигрират към положителния катод и реагират отново. И вече виждаш как това се превръща в енергиен източник, тъй като този ток може да се използва за някаква полезна работа. Затова имаме енергиен източник. Хайде сега да прочетем въпросите, след като вече разбираме процесите, които протичат тук. Първите метално-въздушни батерии използвали цинк като анод. Това е точно този пример, който разгледахме. При работата на батерията се образува цинков оксид, точно както е показано в уравнението по-долу. Две молекули цинк и една молекула кислород дават две молекули цинков оксид. Използвай данните в таблицата, за да изчислиш клетъчния потенциал на цинкова въздушна батерия. Нека да разбием реакцията. Можем да я разделим в тези две стъпки. Защото ги виждаме и двете едновременно, и тук имаме цинк, който участва в реакцията. Нека да подчертая какво участва в реакцията. Имаме цинк. Имаме кислород. И ако обърнем това, както направихме преди малко, нека я напиша обратно, ще напиша даже двете ето тук малко по-ниско. Значи имаме горната реакция. Имаме газообразен О2, плюс 2 Н2О, плюс четири електрона. Опа, четири електрона, и получаваме хидроксидни аниони във въден разтвор. Втората реакция казахме, че ще протече в обратна посока. Имаме цинк, който е в твърдо състояние, плюс два хидроксидни аниона. И получаваме цинков оксид в твърдо състояние плюс вода, плюс два електрона. Когато видиш това, знаеш че протича реакция, имаме кислород, имаме цинк, които са двете неща тук, които реагират. И за да изравним броя на молекулите, казваме: имаме една молекула кислород и ни трябват два атома цинк. Затова ще умножим цялата тази реакция по две. Два пъти цинк реагира с четири хидроксида, и се получава два пъти цинков оксид, две молекули вода и четири електрона. Току-що казах, че ако тази реакция е протекла два пъти, просто ще имам два пъти повече изходни вещества и продукти. И забележи, сега имаме една молекула кислород, две молекули цинк, една молекула кислород и две молекули цинк. Ако всичко това реагира, ще получиш две молекули цинков оксид. А какво става с всичко останало, което участва в тези реакции? Водата е тук, но после става две молекули вода. Така че ако погледнеш цялата реакция, тук сме балансирани, няма получена или загубена вода. Тук има четири електрона, четири електрона. Ето защо не са го записали в общото уравнение на реакцията тук. И тези четири хидроксидни аниона, те ще се използват във втората част на реакцията. Затова тук сме неутрални. Те се получават, но те също се използват. Така че като погледнем сумарната реакция, използваме молекулен кислород и цинк за получаването на цинков оксид. И ни казват да използваме данните от таблицата, за да изчислим клетъчния потенциал на цинковата въздушна батерия. Потенциалът на горната реакция е + 0,34 волта. И сега какъв е потенциалът за долната реакция? Това е обратната реакция на тази, а тази има отрицателен потенциал, следователно като я обърнем, той става положителен. Това е +1,31 волта. Тук обаче може да кажеш, че ние не само я обърнахме, но и умножихме по две. Тогава не трябва ли да умножим и волтажа по две? Ако говорим само за енергията, освободена при реакцията, тогава да, разбира се. Ако имаме реакцията два пъти, тогава ще имаме и два пъти повече енергия. Но волтажът, запомни, той е потенциална енергия на единица заряд. И тъй като това не е... Това е абсолютна енергия, енергия за единица заряд, това е единият начин да го разглеждаме. Когато правиш повече от нещо, това не променя действителния волтаж. Това е важно да се знае. Ако говорехме за обща енергия или ентропия, или нещо подобно, тогава щяхме да умножим двете страни по две, освободената енергия по две. Но тъй като говорим за волтаж, той не зависи от броя от броя на зарядите или броя на молекулите, които се получават. Потенциал на единица заряд е единият начин да го разглеждаме. Затова за целия процес тук просто ще съберем волтажите на двете реакции и тогава получаваме 1,65 волта. Сега да видим втората част. Електролитната паста съдържа хидроксидни йони. На диаграмата на батерията горе означи със стрелка посоката на движение на хидроксидните йони през електролита, когато батерията работи. Добре, ние вече говорихме за това. Хидроксидът се произвежда на катода при тази реакция, и след това се използва при анода, така че хидроксидът ще се движи в тази посока.