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. Из полученного раствора отобрали порцию массой 98,4 г. Вычислите массу 20%-ного раствора гидроксида натрия, который нужно добавить к отобранной порции раствора до полного осаждения ионов меди.
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 раствора сульфата меди(II) на инертных электродах на катоде выделяется медь, на аноде — кислород, а в растворе накапливается серная кислота. Поэтому добавляемая щёлочь сначала нейтрализует кислоту и только потом осаждает ионы меди.
Уравнения реакций:
1) 2CuSO4 + 2H2O → (электролиз) 2Cu + O2↑ + 2H2SO4
2) H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O
3) CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + Na2SO4
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. Состав раствора после электролиза. По уравнению 1 на 1 моль O2 приходится 2 моль меди и 2 моль серной кислоты:
n(Cu) = 2 · 0,05 моль = 0,1 моль, n(H2SO4) = 2 · 0,05 моль = 0,1 моль
израсходовано 0,1 моль CuSO4 — это меньше 0,5 моль, значит соль осталась:
n(CuSO4, ост.) = 0,5 моль − 0,1 моль = 0,4 моль
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
3. Отобранная порция. Порция однородного раствора содержит вещества в той же пропорции, что и весь раствор. Доля отобранного раствора:
98,4 г / 492 г = 0,2
n(CuSO4) в порции = 0,4 моль · 0,2 = 0,08 моль
n(H2SO4) в порции = 0,1 моль · 0,2 = 0,02 моль
4. Сколько нужно щёлочи. Пока в растворе есть свободная кислота, гидроксид меди(II) не образуется, поэтому щёлочь расходуется в два этапа. По уравнению 2 на 1 моль H2SO4 идёт 2 моль NaOH, по уравнению 3 на 1 моль CuSO4 — тоже 2 моль NaOH. Полное осаждение ионов меди означает, что израсходован весь CuSO4 порции:
n(NaOH) = 2 · n(H2SO4) + 2 · n(CuSO4) = 2 · 0,02 моль + 2 · 0,08 моль = 0,04 моль + 0,16 моль = 0,20 моль
m(NaOH) = 0,20 моль · 40 г/моль = 8 г
m(р-ра NaOH) = 8 г / 0,20 = 40 г
Проверка: при этом осадится n(Cu(OH)2) = 0,08 моль, то есть 0,08 моль · 98 г/моль = 7,84 г осадка — величина положительная и меньше массы порции, что согласуется с условием.
Ответ: необходимо 40 г 20%-ного раствора гидроксида натрия.
Источник: ФИПИ