Решение: Электролиз раствора хлорида натрия
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 312 г 15%-ного раствора хлорида натрия. После того как на катоде выделилось 6,72 л (н.у.) газа, процесс остановили и отобрали порцию полученного раствора массой 58,02 г. Вычислите массу 20%-ного раствора сульфата меди(II), необходимого для полного осаждения гидроксид-ионов из отобранной порции раствора.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Решение по шагам
11 шаговНа катоде при электролизе водного раствора хлорида натрия выделяется водород, а на аноде — хлор. Суммарное уравнение электролиза:
$$2\mathrm{NaCl}+2\mathrm{H_2O}\rightarrow 2\mathrm{NaOH}+\mathrm{H_2}\uparrow+\mathrm{Cl_2}\uparrow$$Вычислим количество вещества водорода:
$$n(\mathrm{H_2})=\frac{V(\mathrm{H_2})}{V_m}=\frac{6{,}72\,\mathrm{л}}{22{,}4\,\mathrm{л\cdot mol^{-1}}}=0{,}30\,\mathrm{mol}$$По уравнению электролиза количество образовавшегося гидроксида натрия в два раза больше количества водорода:
$$n(\mathrm{NaOH})=2n(\mathrm{H_2})=2\cdot 0{,}30=0{,}60\,\mathrm{mol}$$Найдём массу всего раствора после электролиза. Из него удалились водород и хлор:
$$m(\mathrm{NaCl})=312\cdot 0{,}15=46{,}8\,\mathrm{г};\quad n(\mathrm{Cl_2})=n(\mathrm{H_2})=0{,}30\,\mathrm{mol};\quad m(\mathrm{Cl_2})=0{,}30\cdot 71=21{,}3\,\mathrm{г};\quad m(\mathrm{H_2})=0{,}30\cdot 2=0{,}6\,\mathrm{г}$$Масса раствора после электролиза равна:
$$m_{\mathrm{р\text{-}ра}}=312-21{,}3-0{,}6=290{,}1\,\mathrm{г}$$Определим долю отобранной порции в общей массе раствора:
$$\frac{58{,}02}{290{,}1}=0{,}20$$Следовательно, в порции содержится $20\%$ образовавшегося гидроксида натрия:
$$n_{\mathrm{порции}}(\mathrm{NaOH})=0{,}60\cdot 0{,}20=0{,}12\,\mathrm{mol}$$Гидроксид-ионы осаждаются сульфатом меди(II) по уравнению:
$$\mathrm{CuSO_4}+2\mathrm{NaOH}\rightarrow \mathrm{Cu(OH)_2}\downarrow+\mathrm{Na_2SO_4}$$По уравнению реакции количество вещества сульфата меди(II) в два раза меньше количества гидроксида натрия:
$$n(\mathrm{CuSO_4})=\frac{n(\mathrm{NaOH})}{2}=\frac{0{,}12}{2}=0{,}06\,\mathrm{mol}$$Вычислим массу чистого сульфата меди(II):
$$m(\mathrm{CuSO_4})=nM=0{,}06\cdot 160=9{,}6\,\mathrm{г}$$Так как используется 20%-ный раствор сульфата меди(II), его масса составляет:
$$m_{\mathrm{р\text{-}ра}}(\mathrm{CuSO_4})=\frac{m(\mathrm{CuSO_4})}{\omega}=\frac{9{,}6\,\mathrm{г}}{0{,}20}=48\,\mathrm{г}$$Масса 20%-ного раствора сульфата меди(II) равна $48\,\mathrm{г}$.
Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.
Где здесь ошибаются
Не учитывать, что на аноде выделяется хлор и его масса уменьшает массу раствора.
Использовать объём моля газа, отличный от $22{,}4\,\mathrm{л\cdot mol^{-1}}$ при н.у.
Не учитывать соотношение $2:1$ между количеством вещества $\mathrm{NaOH}$ и $\mathrm{CuSO_4}$.
Принять массу чистого $\mathrm{CuSO_4}$ за массу его 20%-ного раствора.