Решение: Электролиз раствора нитрата меди
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 282 г 40%-ного раствора нитрата меди(II). После того как масса раствора уменьшилась на 32 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 140 г 40%-ного раствора гидроксида натрия. Определите массовую долю щёлочи в полученном растворе.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Решение по шагам
10 шаговМасса нитрата меди(II) в исходном растворе:
$$m(\mathrm{Cu(NO_3)_2})=282\cdot0{,}40=112{,}8\ \text{г}$$Количество вещества нитрата меди(II):
$$n(\mathrm{Cu(NO_3)_2})=\frac{112{,}8}{188}=0{,}6\ \text{моль}$$На катоде выделяется медь, на аноде — кислород. Суммарное уравнение электролиза:
$$2\mathrm{Cu(NO_3)_2}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{Cu}+\mathrm{O_2}+4\mathrm{HNO_3}$$Пусть $x$ — количество вещества выделившейся меди. При выделении $x$ моль меди выделяется $x/2$ моль кислорода. По условию масса раствора уменьшилась на 32 г:
$$64x+32\cdot\frac{x}{2}=32;\quad80x=32;\quad x=0{,}4\ \text{моль}$$Количество оставшегося нитрата меди(II) и образовавшейся азотной кислоты:
$$n(\mathrm{Cu(NO_3)_2})=0{,}6-0{,}4=0{,}2\ \text{моль};\quad n(\mathrm{HNO_3})=2\cdot0{,}4=0{,}8\ \text{моль}$$В 140 г 40%-ного раствора содержится гидроксид натрия:
$$m(\mathrm{NaOH})=140\cdot0{,}40=56\ \text{г};\quad n(\mathrm{NaOH})=\frac{56}{40}=1{,}4\ \text{моль}$$При добавлении щёлочи протекают реакции нейтрализации и осаждения:
$$\mathrm{HNO_3+NaOH\rightarrow NaNO_3+H_2O};\quad\mathrm{Cu(NO_3)_2+2NaOH\rightarrow Cu(OH)_2\downarrow+2NaNO_3}$$На нейтрализацию азотной кислоты расходуется 0,8 моль $\mathrm{NaOH}$, а на осаждение 0,2 моль $\mathrm{Cu(NO_3)_2}$ — 0,4 моль $\mathrm{NaOH}$. Остаётся:
$$n_{\text{ост}}(\mathrm{NaOH})=1{,}4-0{,}8-2\cdot0{,}2=0{,}2\ \text{моль}$$Масса оставшегося гидроксида натрия равна 8 г. Масса полученного раствора равна общей массе после добавления раствора за вычетом массы осадка гидроксида меди(II):
$$m(\mathrm{Cu(OH)_2})=0{,}2\cdot98=19{,}6\ \text{г};\quad m_{\text{р-ра}}=282-32+140-19{,}6=370{,}4\ \text{г}$$Массовая доля оставшейся щёлочи:
$$\omega(\mathrm{NaOH})=\frac{8}{370{,}4}\cdot100\%=2{,}16\%$$Массовая доля гидроксида натрия в полученном растворе составляет $2{,}16\%$.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Учитывают только выделившуюся медь и не учитывают кислород при расчёте уменьшения массы раствора.
Не учитывают образование азотной кислоты при электролизе.
Считают, что весь добавленный гидроксид натрия остаётся в растворе.
Не вычитают массу осадка $\mathrm{Cu(OH)_2}$ из массы полученного раствора.