Задание №34 — Типы расчётных задач
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 500 г 16%-ного раствора сульфата меди(II). После того как на аноде выделилось 1,12 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 53 г 10%-ного раствора карбоната натрия. Определите массовую долю сульфата меди(II) в полученном растворе.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи,
и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Проверка решения с помощью ИИ доступна авторизованным пользователям
Решение. При электролизе водного раствора сульфата меди(II) на инертных электродах на катоде восстанавливаются ионы Cu2+ до металла, а на аноде окисляется вода с выделением кислорода; в растворе при этом накапливается серная кислота.
Уравнения реакций:
1) 2CuSO4 + 2H2O → (электролиз) 2Cu + O2↑ + 2H2SO4
2) Na2CO3 + H2SO4 → Na2SO4 + CO2↑ + H2O
1. Исходные количества веществ.
m(CuSO4) = 500 г · 0,16 = 80 г
n(CuSO4) = 80 г / 160 г/моль = 0,5 моль
n(O2) = 1,12 л / 22,4 л/моль = 0,05 моль
2. Что дал электролиз. Весь расчёт опирается на анодный газ: по уравнению 1 на 1 моль O2 приходится 2 моль выделившейся меди и 2 моль образовавшейся серной кислоты. Отсюда
n(Cu) = 2 · n(O2) = 2 · 0,05 моль = 0,1 моль
n(H2SO4) = 2 · n(O2) = 0,1 моль
израсходовано n(CuSO4) = 0,1 моль. Это меньше исходных 0,5 моль, значит соль израсходована не полностью, электролиз остановлен раньше, и в растворе осталось
n(CuSO4, ост.) = 0,5 моль − 0,1 моль = 0,4 моль
m(CuSO4, ост.) = 0,4 моль · 160 г/моль = 64 г
3. Масса раствора после электролиза. Раствор теряет массу осевшей на катоде меди и улетевшего кислорода:
m(р-ра) = 500 г − 0,1 моль · 64 г/моль − 0,05 моль · 32 г/моль = 500 г − 6,4 г − 1,6 г = 492 г
4. Действие карбоната натрия.
m(Na2CO3) = 53 г · 0,10 = 5,3 г
n(Na2CO3) = 5,3 г / 106 г/моль = 0,05 моль
Карбонат натрия реагирует в первую очередь с серной кислотой. По уравнению 2 на 0,05 моль Na2CO3 нужно 0,05 моль H2SO4, а кислоты в растворе 0,1 моль: кислота в избытке, карбонат в недостатке. Поэтому весь карбонат уходит на нейтрализацию кислоты и до сульфата меди(II) не доходит — количество CuSO4 в растворе не меняется.
n(CO2) = n(Na2CO3) = 0,05 моль
m(CO2) = 0,05 моль · 44 г/моль = 2,2 г
5. Массовая доля сульфата меди(II). Масса конечного раствора складывается из массы раствора после электролиза и массы добавленного раствора соды за вычетом улетевшего газа:
m(р-ра кон.) = 492 г + 53 г − 2,2 г = 542,8 г
w(CuSO4) = m(CuSO4) / m(р-ра кон.) = 64 г / 542,8 г = 0,1179, или 11,79 %
Проверка: в конечном растворе находятся CuSO4 (64 г), Na2SO4 (0,05 моль · 142 г/моль = 7,1 г) и непрореагировавшая H2SO4 (0,05 моль · 98 г/моль = 4,9 г) — всего 76 г растворённых веществ на 542,8 г раствора, что согласуется с расчётом.
Ответ: w(CuSO4) ≈ 11,79 %.
Источник: ФИПИ