Решение: Электролиз раствора сульфата меди
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.
Запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления, указывая единицы измерения искомых физических величин.
Решение по шагам
12 шаговЗапишем уравнение электролиза раствора сульфата меди(II) на инертных электродах:
$$2\mathrm{CuSO_4} + 2\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\mathrm{Cu} + \mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2SO_4}$$Определим количество вещества кислорода, выделившегося на аноде. При нормальных условиях молярный объём газа равен $22{,}4\ \text{л/моль}$:
$$n(\mathrm{O_2}) = \dfrac{1{,}12\ \text{л}}{22{,}4\ \text{л/моль}} = 0{,}05\ \text{моль}$$По уравнению электролиза количество израсходованного сульфата меди(II) в два раза больше количества образовавшегося кислорода:
$$n(\mathrm{CuSO_4}) = 2n(\mathrm{O_2}) = 2 \cdot 0{,}05 = 0{,}10\ \text{моль}$$Масса сульфата меди(II), содержащегося в исходном растворе, равна:
$$m_0(\mathrm{CuSO_4}) = 500\ \text{г} \cdot 0{,}16 = 80\ \text{г}$$Молярная масса сульфата меди(II) равна $160\ \text{г/моль}$. После электролиза в растворе осталось:
$$m(\mathrm{CuSO_4}) = 80\ \text{г} - 0{,}10\ \text{моль} \cdot 160\ \text{г/моль} = 64\ \text{г}$$По уравнению электролиза образовалось $0{,}10$ моль серной кислоты. Её масса составляет:
$$m(\mathrm{H_2SO_4}) = 0{,}10\ \text{моль} \cdot 98\ \text{г/моль} = 9{,}8\ \text{г}$$В добавленном растворе карбоната натрия содержится:
$$m(\mathrm{Na_2CO_3}) = 53\ \text{г} \cdot 0{,}10 = 5{,}3\ \text{г};\quad n(\mathrm{Na_2CO_3}) = \dfrac{5{,}3\ \text{г}}{106\ \text{г/моль}} = 0{,}05\ \text{моль}$$Запишем реакцию серной кислоты с карбонатом натрия:
$$\mathrm{H_2SO_4} + \mathrm{Na_2CO_3} \rightarrow \mathrm{Na_2SO_4} + \mathrm{CO_2} + \mathrm{H_2O}$$Карбонат натрия является недостаточным: его количество равно $0{,}05$ моль, тогда как серной кислоты образовалось $0{,}10$ моль. Поэтому выделится $0{,}05$ моль углекислого газа:
$$m(\mathrm{CO_2}) = 0{,}05\ \text{моль} \cdot 44\ \text{г/моль} = 2{,}2\ \text{г}$$Масса раствора после электролиза равна массе исходного раствора за вычетом масс выделившихся меди и кислорода:
$$m_1(\text{раствора}) = 500\ \text{г} - 0{,}10\ \text{моль} \cdot 64\ \text{г/моль} - 0{,}05\ \text{моль} \cdot 32\ \text{г/моль} = 492\ \text{г}$$После добавления раствора карбоната натрия и выделения углекислого газа масса конечного раствора составляет:
$$m(\text{раствора}) = 492\ \text{г} + 53\ \text{г} - 2{,}2\ \text{г} = 542{,}8\ \text{г}$$Массовая доля сульфата меди(II) в полученном растворе равна:
$$\omega(\mathrm{CuSO_4}) = \dfrac{64\ \text{г}}{542{,}8\ \text{г}} \cdot 100\% \approx 11{,}8\%$$Массовая доля сульфата меди(II) в полученном растворе составляет примерно $11{,}8\%$.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Не учитывать расход сульфата меди(II) в процессе электролиза.
Ошибочно считать, что весь сульфат меди(II) выпадает в осадок при добавлении карбоната натрия.
Не учитывать выделение углекислого газа при расчёте массы конечного раствора.
Использовать массу исходного раствора вместо массы раствора после электролиза и добавления реагента.