Решение: Электролиз раствора сульфата меди
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 640 г 15%-ного раствора сульфата меди(II). После того как масса раствора уменьшилась на 32 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 400 г 20%-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
15 шаговМасса исходного сульфата меди(II) составляет:
$$m(\mathrm{CuSO_4})=640\cdot0{,}15=96\ \mathrm{г}$$Количество вещества сульфата меди(II) в исходном растворе:
$$n(\mathrm{CuSO_4})=\frac{96}{160}=0{,}6\ \mathrm{моль}$$На инертных электродах протекают реакции: на катоде восстанавливаются ионы меди, на аноде окисляется вода.
$$\mathrm{Cu^{2+}}+2e^-\rightarrow\mathrm{Cu};\quad 2\mathrm{H_2O}-4e^-\rightarrow\mathrm{O_2}+4\mathrm{H^+}$$Суммарное уравнение электролиза:
$$2\mathrm{CuSO_4}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow2\mathrm{Cu}+\mathrm{O_2}+2\mathrm{H_2SO_4}$$При выделении 1 моль меди масса раствора уменьшается на массу меди и кислорода, выделившегося при электролизе соответствующего количества воды:
$$m(\mathrm{Cu})+m(\mathrm{O_2})=64+16=80\ \mathrm{г}$$Количество вещества меди, выделившейся при уменьшении массы раствора на 32 г:
$$n(\mathrm{Cu})=\frac{32}{80}=0{,}4\ \mathrm{моль}$$По уравнению электролиза израсходовано 0,4 моль $\mathrm{CuSO_4}$ и образовалось 0,4 моль $\mathrm{H_2SO_4}$. В растворе осталось:
$$n(\mathrm{CuSO_4})=0{,}6-0{,}4=0{,}2\ \mathrm{моль};\quad m(\mathrm{CuSO_4})=0{,}2\cdot160=32\ \mathrm{г}$$Масса образовавшейся серной кислоты равна:
$$m(\mathrm{H_2SO_4})=0{,}4\cdot98=39{,}2\ \mathrm{г}$$В 400 г 20%-ного раствора содержится:
$$m(\mathrm{NaOH})=400\cdot0{,}20=80\ \mathrm{г};\quad n(\mathrm{NaOH})=\frac{80}{40}=2\ \mathrm{моль}$$Гидроксид натрия реагирует с оставшимся сульфатом меди(II) и с образовавшейся серной кислотой:
$$\mathrm{CuSO_4}+2\mathrm{NaOH}\rightarrow\mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow+\mathrm{Na_2SO_4};\quad \mathrm{H_2SO_4}+2\mathrm{NaOH}\rightarrow\mathrm{Na_2SO_4}+2\mathrm{H_2O}$$На реакцию с 0,2 моль $\mathrm{CuSO_4}$ потребуется 0,4 моль $\mathrm{NaOH}$, а на реакцию с 0,4 моль $\mathrm{H_2SO_4}$ — 0,8 моль. Всего израсходовано:
$$n_{\text{расх}}(\mathrm{NaOH})=0{,}4+0{,}8=1{,}2\ \mathrm{моль}$$Остаток гидроксида натрия:
$$n_{\text{ост}}(\mathrm{NaOH})=2-1{,}2=0{,}8\ \mathrm{моль};\quad m_{\text{ост}}(\mathrm{NaOH})=0{,}8\cdot40=32\ \mathrm{г}$$Образовавшийся осадок гидроксида меди(II) имеет массу:
$$m(\mathrm{Cu(OH)_2})=0{,}2\cdot98=19{,}6\ \mathrm{г}$$Масса полученного раствора равна общей массе смешанных растворов за вычетом массы осадка:
$$m_{\text{р-ра}}=608+400-19{,}6=988{,}4\ \mathrm{г}$$Массовая доля оставшегося гидроксида натрия:
$$\omega(\mathrm{NaOH})=\frac{32}{988{,}4}\cdot100\%=3{,}24\%$$Массовая доля щёлочи в полученном растворе равна $3{,}24\%$.
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 выделившийся кислород при расчёте уменьшения массы раствора.
Не записывают реакцию серной кислоты с гидроксидом натрия.
Считают массовую долю щёлочи от массы смеси без вычитания массы осадка $\mathrm{Cu(OH)_2}$.
Используют массу исходного раствора вместо массы полученного после добавления раствора гидроксида натрия.