Решение: Электролиз раствора сульфата меди
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 750 мл раствора сульфата меди(II) с концентрацией 0,8 моль/л и плотностью 1,08 г/мл. После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 500 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 3,2 моль/л и плотностью 1,25 г/мл. Определите массовую долю щёлочи 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 шаговНа инертном аноде окисляется вода, а на катоде восстанавливаются ионы меди:
$$2\mathrm{H_2O}-4e^-\rightarrow\mathrm{O_2}+4\mathrm{H^+};\quad \mathrm{Cu^{2+}}+2e^-\rightarrow\mathrm{Cu}$$Количество кислорода, выделившегося на аноде:
$$n(\mathrm{O_2})=\dfrac{V(\mathrm{O_2})}{V_m}=\dfrac{4{,}48\ \mathrm{л}}{22{,}4\ \mathrm{л/моль}}=0{,}2\ \mathrm{моль}$$При электролизе образуется серная кислота в количестве, равном количеству выделившегося кислорода. Количество исходного сульфата меди:
$$n_0(\mathrm{CuSO_4})=cV=0{,}8\ \mathrm{моль/л}\cdot0{,}750\ \mathrm{л}=0{,}6\ \mathrm{моль}$$Количество меди, выделившейся на катоде, вдвое больше количества кислорода:
$$n(\mathrm{Cu})=2n(\mathrm{O_2})=2\cdot0{,}2=0{,}4\ \mathrm{моль}$$После электролиза в растворе остаётся $0{,}6-0{,}4=0{,}2$ моль сульфата меди, а также образуется $0{,}2$ моль серной кислоты. При добавлении гидроксида натрия происходит реакция нейтрализации:
$$\mathrm{H_2SO_4}+2\mathrm{NaOH}\rightarrow\mathrm{Na_2SO_4}+2\mathrm{H_2O}$$Количество добавленного гидроксида натрия:
$$n(\mathrm{NaOH})=cV=3{,}2\ \mathrm{моль/л}\cdot0{,}500\ \mathrm{л}=1{,}6\ \mathrm{моль}$$На нейтрализацию $0{,}2$ моль серной кислоты расходуется:
$$n_{\text{расх}}(\mathrm{NaOH})=2n(\mathrm{H_2SO_4})=2\cdot0{,}2=0{,}4\ \mathrm{моль}$$Гидроксид натрия взят в избытке. Его количество и масса после реакции:
$$n_{\text{изб}}(\mathrm{NaOH})=1{,}6-0{,}4=1{,}2\ \mathrm{моль};\quad m(\mathrm{NaOH})=1{,}2\cdot40=48\ \mathrm{г}$$Масса исходного раствора сульфата меди:
$$m_1=V\rho=750\ \mathrm{мл}\cdot1{,}08\ \mathrm{г/мл}=810\ \mathrm{г}$$При электролизе из раствора удаляются медь и кислород:
$$m(\mathrm{Cu})=0{,}4\cdot64=25{,}6\ \mathrm{г};\quad m(\mathrm{O_2})=0{,}2\cdot32=6{,}4\ \mathrm{г}$$Масса раствора после электролиза и масса добавленного раствора гидроксида натрия:
$$m_{\text{эл}}=810-25{,}6-6{,}4=778\ \mathrm{г};\quad m_2=500\ \mathrm{мл}\cdot1{,}25\ \mathrm{г/мл}=625\ \mathrm{г}$$Масса полученного раствора и массовая доля избытка гидроксида натрия:
$$m_{\text{р-ра}}=778+625=1403\ \mathrm{г};\quad \omega(\mathrm{NaOH})=\dfrac{48}{1403}\cdot100\%=3{,}42\%$$Массовая доля избытка гидроксида натрия в полученном растворе равна $3{,}42\%$.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Считать, что весь добавленный гидроксид натрия остаётся в растворе в неизменном количестве.
Не учитывать расход гидроксида натрия на нейтрализацию образовавшейся серной кислоты.
Не вычитать из массы раствора массу выделившихся меди и кислорода.
Использовать объём раствора вместо его массы при расчёте массовой доли.