Условие задачи

Цинковую и железную пластинки опустили в раствор сульфата меди. Составьте электронные и ионно-молекулярные уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут проходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводником?

Решение

Ниже приведён подробный разбор задачи по электрохимии, в которой речь идёт об окислительно-восстановительных реакциях между металлами и раствором сульфата меди (CuSO₄). Мы составим электронные (полуреакции) и ионно‑молекулярные (общие) уравнения для каждой пластинки, а затем разберём, что произойдёт, если соединить внешние концы пластинок проводником.

──────────────────────────────
1. Исходные сведения

В растворе сульфата меди находятся ионы меди ⟨Cu²⁺⟩, которые являются окислителем, а сами металлы (цинк и железо) могут выступать в роли восстановителей. Стандартные электродные потенциалы (при 25°С) приблизительно таковы:
• для полуреакции Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu(s): E° ⟶ +0,34 В;
• для полуреакции Fe²⁺ + 2 e⁻ → Fe(s): E° ⟶ –0,44 В;
• для полуреакции Zn²⁺ + 2 e⁻ → Zn(s): E° ⟶ –0,76 В.

Чем ниже потенциал восстановления, тем легче металл отдаёт электроны (окисляется). Именно поэтому цинк – самый активный из этих металлов, а железо обладает промежуточной активностью.

──────────────────────────────
2. Реакции на поверхности отдельной пластинки

А) При помещении цинковой пластины в раствор CuSO₄ происходит следующая реакция (спонтанная) – цинк подвергается окислению, а Cu²⁺ восстанавливается с осаждением металлической меди:

Электронные (половинные) уравнения:
• Анод (окисление цинка):
Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e⁻
• Катод (восстановление меди):
Cu²⁺(aq) + 2 e⁻ → Cu(s)

Ионно-молекулярное (общий) вид (записываем с участием молекул сульфата, но часто его можно опустить как ион‑зритель):
Zn(s) + CuSO₄(aq) → ZnSO₄(aq) + Cu(s)
Либо в виде чистых ионов:
Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

Б) При помещении железной пластины в раствор CuSO₄ возможна реакция:
Fe(s) + Cu²⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + Cu(s)

Половинные уравнения:
• Окисление железа:
Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2 e⁻
• Восстановление меди:
Cu²⁺(aq) + 2 e⁻ → Cu(s)

Заметим, что по потенциалам реакция для железа тоже является спонтанной, но менее выраженной по сравнению с реакцией для цинка (так как разность потенциалов Fe и Cu меньше, чем для Zn и Cu).

──────────────────────────────
3. При соединении наружных концов пластинок проводником

Если внешние концы пластинок соединить проводником, они образуют гальванический элемент (электрохимическую ячейку). При этом важна разница в электрохимической активности металлов.

• Цинковая пластинка имеет более отрицательный потенциал (–0,76 В) и является более активным восстановителем. Поэтому на ней будет протекать процесс окисления (анодный процесс):
Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e⁻

• Железная пластинка, обладая менее отрицательным потенциалом (–0,44 В), будет выступать в качестве катода. На её поверхности будет происходить восстановление ионов меди:
Cu²⁺(aq) + 2 e⁻ → Cu(s)

Таким образом, при наличии проводника электроны, выделившиеся при окислении цинка, будут по проводнику направляться к железной пластинке, где и восстанавливаются Cu²⁺, осаждаясь в виде меди.

Полное (схематическое) уравнение процесса в объединённой ячейке:
Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

При этом на железной пластинке непосредственного окисления железа не происходит, так как внешнее соединение создаёт разность потенциалов, заставляя реакцию идти только в носимых электронах направлении: цинк – анод, железо – катод.

──────────────────────────────
4. Итоги

• Для пластинки из цинка (при её помещении в раствор CuSO₄):
Электронное уравнение (анодная реакция): Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e⁻
Ионно-молекулярное уравнение: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s)

• Для пластинки из железа (при её помещении в раствор CuSO₄):
Электронное уравнение (если реакция идёт самостоятельно): Fe(s) → Fe²⁺(aq) + 2 e⁻
Ионно-молекулярное уравнение: Fe(s) + Cu²⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + Cu(s)

• При соединении внешних концов (образовании гальванической ячейки) электрохимические процессы перераспределяются следующим образом:
На цинковой пластинке (анод) происходит окисление: Zn(s) → Zn²⁺(aq) + 2 e⁻,
а на железной пластинке (катод) – восстановление меди: Cu²⁺(aq) + 2 e⁻ → Cu(s).
Общий ход реакции: Zn(s) + Cu²⁺(aq) → Zn²⁺(aq) + Cu(s).

Таким образом, при внешнем соединении пластинок проводником электроны, выделившиеся на более активном цинке, переносятся на железную пластинку, где и происходит восстановление медных ионов с осаждением меди.