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. 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.
Запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления, указывая единицы измерения искомых физических величин.
Решение по шагам
10 шаговВ исходном растворе содержится сульфат меди:
$$m(\mathrm{CuSO_4})=500\cdot 0{,}16=80\ \mathrm{г};\quad n(\mathrm{CuSO_4})=\frac{80}{160}=0{,}50\ \mathrm{моль}$$На аноде выделяется кислород. Найдём его количество:
$$n(\mathrm{O_2})=\frac{1{,}12}{22{,}4}=0{,}05\ \mathrm{моль}$$Уравнения электродных процессов и суммарное уравнение электролиза:
$$2\mathrm{H_2O}-4e^-\rightarrow \mathrm{O_2}+4\mathrm{H^+};\quad \mathrm{Cu^{2+}}+2e^-\rightarrow \mathrm{Cu};\quad 2\mathrm{CuSO_4}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow 2\mathrm{Cu}+\mathrm{O_2}+2\mathrm{H_2SO_4}$$По уравнению электролиза на 1 моль кислорода расходуется 2 моль сульфата меди и образуется 2 моль серной кислоты:
$$n(\mathrm{CuSO_4,расх})=2\cdot 0{,}05=0{,}10\ \mathrm{моль};\quad n(\mathrm{H_2SO_4})=2\cdot 0{,}05=0{,}10\ \mathrm{моль}$$После электролиза в растворе осталось сульфата меди:
$$n(\mathrm{CuSO_4,ост})=0{,}50-0{,}10=0{,}40\ \mathrm{моль}$$Масса полученного раствора уменьшилась на массу осевшей меди и выделившегося кислорода:
$$m(\mathrm{Cu})=0{,}10\cdot 64=6{,}4\ \mathrm{г};\quad m(\mathrm{O_2})=0{,}05\cdot 32=1{,}6\ \mathrm{г};\quad m_{\mathrm{р-ра}}=500-6{,}4-1{,}6=492\ \mathrm{г}$$Масса отобранной порции составляет одну пятую массы полученного раствора, поэтому в ней содержится $0{,}08$ моль сульфата меди и $0{,}02$ моль серной кислоты:
$$\frac{98{,}4}{492}=0{,}2;\quad n(\mathrm{CuSO_4})=0{,}40\cdot 0{,}2=0{,}08\ \mathrm{моль};\quad n(\mathrm{H_2SO_4})=0{,}10\cdot 0{,}2=0{,}02\ \mathrm{моль}$$Гидроксид натрия расходуется на осаждение гидроксида меди(II) и на нейтрализацию серной кислоты:
$$\mathrm{CuSO_4}+2\mathrm{NaOH}\rightarrow \mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow+\mathrm{Na_2SO_4};\quad \mathrm{H_2SO_4}+2\mathrm{NaOH}\rightarrow \mathrm{Na_2SO_4}+2\mathrm{H_2O}$$Общее количество вещества гидроксида натрия:
$$n(\mathrm{NaOH})=2\cdot 0{,}08+2\cdot 0{,}02=0{,}20\ \mathrm{моль}$$Масса чистого гидроксида натрия и масса его 20%-ного раствора:
$$m(\mathrm{NaOH})=0{,}20\cdot 40=8{,}0\ \mathrm{г};\quad m(\mathrm{р-ра})=\frac{8{,}0}{0{,}20}=40\ \mathrm{г}$$Масса 20%-ного раствора гидроксида натрия равна 40 г.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Учитывают только осаждение ионов меди и забывают нейтрализацию серной кислоты.
Считают, что масса раствора после электролиза не изменилась.
Используют объём газа при других условиях вместо молярного объёма 22,4 л/моль при н.у.
Не учитывают, что в отобранной порции находится одна пятая общего количества растворённых веществ.