Задачи на электролиз
При электролизе расплавов или водных растворов солей протекают окислительно-восстановительные реакции на электродах (аноде и катоде). В статье рассмотрены расчетные задачи, в которых основной химической реакцией является электролиз — основные приемы и типы решения таких задач.
Какие именно процессы протекают при электролизе и как составлять уравнения химических реакций, протекающих при электролизе, вы можете узнать из статьи.
При решении задач на электролиз необходимо учитывать, что растворенное вещество может подвергнуться электролизу не полностью. Если вещество полностью разложилось под действием тока, далее может протекать электролиз воды по уравнению:
При действии тока на растворы некоторых веществ (например, соли активных металлов и кислородсодержащих кислот, щелочи, кислородсодержащие кислоты) количество этих веществ фактически не меняется, т.к. протекающие на катоде и аноде процессы приводят к электролизу воды.
Электролиза с растворимыми электродами или электролиза растворов, в которых содержится несколько растворенных веществ, в ЕГЭ по химии пока нет.
1. Провели электролиз водного раствора нитрата серебра с инертным анодом. Масса восстановленного на катоде серебра оказалась равной 2,16 г. Какой объём газа (н.у.) выделился на аноде? Вычислите массовую долю кислоты в полученном растворе, если масса раствора 250 г.
Решение и ответ:
Запишем уравнение электролиза раствора нитрата серебра:
Количество вещества серебра, образовавшегося на катоде:
n(Ag) = m/M = 2,16 г/108 г/моль = 0,02 моль
На аноде выделился кислород. Количество кислорода можем определить из количества серебра по уравнению реакции:
n(O2) = 1/4·n(Ag) = 1/4 · 0,02 = 0,005 моль
V(O2) = n·Vm = 0,005·22,4 = 0,112 л
Количество вещества азотной кислоты:
n(HNO3) = n(Ag) = 0,02 моль
m(HNO3) = n·M = 0,02 моль·63 г/моль = 1,26 г
Массовая доля азотной кислоты в полученном растворе:
Ответ: V(O2) = 0,112 л, ω(HNO3) = 0,5%
2. Провели полный электролиз 200 г раствора хлорида калия с ω(KCl) = 7,45%. К полученному раствору добавили 50 г раствора фосфорной кислоты с ω(H3PO4) = 19,6%. Определите формулу образовавшейся при этом соли.
Решение и ответ:
Запишем уравнение электролиза раствора хлорида калия:
2KCl + 2H2O → 2KOH + Cl2 + H2
При полном электролизе вступит в реакцию весь хлорид калия. Определим массу и количество вещества хлорида калия:
m(KCl) = mр-ра(KCl) ·ω(KCl) = 200 г · 0,075 = 14,9 г
n(KCl) = m/M =14,9 г / 74,5 г/моль = 0,2 моль
Определим количество образовавшейся щелочи:
n(KOH) = n(KCl) = 0,2 моль
Определим количество фосфорной кислоты:
n(H3PO4) = m/M =9,8 г / 98 г/моль = 0,1 моль
При взаимодействии фосфорной кислоты с щелочью возможно образование трех типов солей:
При соотношении кислоты и щелочи n(H3PO4):n(KOH) = 0,1:0,2 или 1:2 протекает вторая реакция и образуется гидрофосфат калия. Количество вещества гидрофосфата калия равно:
3. В процессе электролиза 500 мл раствора гидроксида натрия с ω(NaОН) = 4,6% (ρ = 1,05 г/мл) массовая доля NaОН в растворе увеличилась до 10%. Вычислите объёмы газов (н.у.), выделившихся на электродах.
Решение и ответ:
Уравнение реакции, которая протекает при электролизе раствора гидроксида натрия:
Фактически, на катоде восстанавливается водород, на аноде окисляется кислород. Количество щелочи в растворе при этом не изменяется. Определим количество щелочи:
mр-ра(NaOH) = Vр-ра(NaOH) ·ρ(NaOH) = 500 мл · 1,05 г/мл = 525 г
m(NaOH) = mр-ра(NaOH) ·ω(NaOH) = 525 г · 0,046 = 24,15 г
n(NaOH) = m/M =24,15 г / 40 г/моль = 0,604 моль
За счет чего же меняется массовая доля? Все очень просто — за счет электролиза воды. Зная, что масса гидроксида натрия не изменилась, найдем массу конечного раствора:
mр-ра,2(NaOH) = m(NaOH) / ω(NaOH) = 24,15 г / 0,1 = 241,5 г
Количество воды, которая подверглась электролизу:
m(H2O) = mр-ра,1(NaOH) – mр-ра,2(NaOH) = 525 – 241,5 = 283,5 г
n(H2O) = m/M =283,15 г / 18 г/моль = 15,75 моль
Из уравнения электролиза определим количество вещества водорода и кислорода и их массу:
n(H2) = n(H2O) = 15,75 моль
V(H2) = n·Vm =15,75 моль · 22,4 л/моль = 352,8 л
n(О2) = 1/2·n(H2O) = 7,875 моль
V(O2) = n·Vm = 7,875 моль · 22,4 л/моль = 176,4 л
Ответ: V(H2) = 352,8 л, V(O2) = 176,4 л
4. При электролизе (с инертным анодом) 235 г раствора нитрата меди (II) с ω(Cu(NO3)2) = 20% на катоде выделилось 9,6 г металла. Вычислите объём газа (н.у.), выделившегося на аноде, и массовые доли кислоты и соли в оставшемся растворе.
5.При электролизе раствора хлорида натрия на катоде выделилось 13,44 л водорода (н.у.). Хлор, выделившийся на аноде, поглотили горячим раствором гидроксида калия. Рассчитайте количества солей – хлорида калия и хлората калия, − образовавшихся в растворе в результате реакции.
6. В результате электролиза раствора хлорида натрия получили раствор, содержащий 20 г гидроксида натрия. Газ, выделившийся на аноде, полностью прореагировал с 500 мл раствора йодида калия. Рассчитайте объём газа (н.у.) и
массовую долю йодида калия в и.
7. При электролизе 200 г раствора хлорида натрия с массовой долей соли 17,55% из раствора выделилось 3,36 л хлора (н.у.). Определите массовые доли веществ в растворе после прекращения электролиза.
8. При проведении электролиза 500 г 16% раствора сульфата меди (II) процесс прекратили, когда на аноде выделилось 1,12 л газа. Из полученного раствора отобрали порцию массой 98,4 г. Вычислите массу 20%-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди из отобранной порции раствора.
Решение.
Во-первых, составляем уравнение реакции электролиза раствора сульфата меди. Как это делать, подробно описано в статье Электролиз.
Находим массу чистого сульфата меди:
m(CuSO4) = mраствора*ω(CuSO4) = 500*0,16 = 80 г
Количество вещества сульфата меди:
n(CuSO4) = m/M = 80/160 = 0,5 моль
Видно, что на аноде должно выделиться 0,25 моль газа, или 5,6 л.
Однако, в условии сказано, что выделилось только 1,12 л газа. Следовательно, сульфат меди прореагировал не полностью, а только частично.
Находим количество и массу кислорода, который выделился на аноде:
n(O2) = V/Vm = 1,12/22,4 = 0,05 моль,
m(O2) = n*M = 0,05*32 = 1,6 г.
Следовательно, в электролиз вступило 0,1 моль сульфата меди.
В растворе осталось 0,4 моль сульфата меди. При этом образовалось 0,1 моль серной кислоты массой 9,8 г и 0,1 моль меди выпало в осадок (масса меди 6,4 г).
При этом масса полученного раствора после электролиза mр-ра2 равна:
mр-ра2 = 500 – 1,6 – 6,4 = 492 г
Из полученного раствора отобрали порцию массой 98,4 г. При этом количество растворенных веществ поменялось. Зато не поменялась их массовая доля. Найдем массовую долю сульфата меди ω(CuSO4)2 и серной кислоты ω(H2SO4) в растворе, который остался после электролиза:
m(CuSO4)ост = n*M = 0,4*160 = 64 г
Найдем массу и количество серной кислоты и массу сульфата меди в порции массой mр-ра3 = 98,4 г, которую мы отобрали:
n(CuSO4) = m/M = 12,79/160 = 0,08 моль
n(H2SO4) = m/M = 1,97/98 = 0,02 моль
Чтобы осадить ионы меди, гидроксид натрия должен прореагировать и с серной кислотой в растворе, и с сульфатом меди:
В первой реакции израсходуется 0,04 моль гидроксида натрия, во второй реакции 0,16 моль гидроксида натрия. Всего потребуется 0,2 моль гидроксида натрия. Или 8 г чистого NaOH, что соответствует 40 г 20%-ного раствора.
Ответ: масса раствора 40 г.
Задача из досрочного ЕГЭ по химии-2020 на электролиз:
9. Через 640 г 15%-ного раствора сульфата меди(II) пропускали электрический ток до тех пор, пока на аноде не выделилось 11,2 л (н.у.) газа. К образовавшемуся раствору добавили 665,6 г 25%-ного раствора хлорида бария. Определите массовую долю хлорида бария 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 и ответ:
Количество вещества реагентов и масса продуктов реакций:
m(CuSO4) = 640 · 0,15 = 96 г n(CuSO4 ) = 96 / 160 = 0,6 моль
n(O2) = 11,2 / 22,4 = 0,5 моль
n(Cu) = n(CuSO4) = 0,6 моль
m(Cu) = 0,6 · 64 = 38,4 г
n(O2 [1]) = 0,5n(CuSO4) = 0,3 моль
n(O2 [2]) = 0,5 – 0,3 = 0,2 моль
m(H2O прореаг.) = 0,4 · 18 = 7,2 г
m(O2 [1]) = 32 · 0,3 = 9,6 г
m(BaCl2) = 665,6 · 0,25 = 166,4 г
n(BaCl2) = 166,4 / 208 = 0,8 моль
n(BaCl2 осталось) = 0,8 – 0,6 = 0,2 моль
m(BaCl2 осталось) = 0,2 · 208 = 41,6 г
n(BaSO4) = n(BaCl2 прореаг.) = 0,6 моль
m(BaSO4) = 0,6 · 233 = 139,8 г
Массовая доля хлорида бария в растворе:
m(р-ра) = 640 + 665,6 – 38,4 – 7,2 – 139,8 – 9,6 = 1110,6 г
ω(BaCl2) = 41,6 / 1110,6 = 0,037, или 3,7 %
Ответ: ω(BaCl2) = 3,7 %
10. В результате электролиза раствора хлорида натрия получили раствор, содержащий 20 г гидроксида натрия. Газ, выделившийся на аноде, полностью прореагировал с 500 мл раствора иодида калия. Рассчитайте объём газа (н.у.) и молярную концентрацию использованного раствора иодида калия.
11. При электролизе 200 г раствора гидроксида натрия с ω(NaОН) = 4% на аноде выделилось 44,8 л (н.у.) кислорода. Какой объём водорода выделился на катоде, и какой стала массовая доля NaOH в растворе после электролиза?
12. При электролизе 200 г раствора хлорида натрия с массовой долей соли 17,55% из раствора выделилось 3,36 л хлора (н.у.). Определите массовые доли веществ в растворе после прекращения электролиза.
13. При электролизе (с инертным анодом) 235 г раствора нитрата меди(II) с ω(Cu(NO3)2) = 20% на катоде выделилось 9,6 г металла. Вычислите объём газа (н.у.), выделившегося на аноде, и массовые доли кислоты и соли в оставшемся
растворе.
14. При электролизе 900г 3%-ного раствора нитрата натрия на аноде выделилось 90л (н.у.) кислорода. Определите массовую долю нитрата натрия в растворе после окончания электролиза.
Ответ: 3,57%
15. Какую массу свинца можно получить при электролизе 200г раствора нитрата свинца с массовой долей 10%?
16. Для нейтрализации кислоты, образовавшейся после электролиза нитрата серебра, потребовалось 145,5мл 10%-ного раствора гидроксида натрия с плотностью 1,1г/мл. Определите массу выделившегося на катоде серебра. Ответ: 43,2г
17. После электролиза 500г водного раствора сульфата меди масса раствора уменьшилась на 8г. Оставшийся раствор нацело прореагировал с 8,96л (н.у.) сероводорода. Определите массовую долю сульфата серебра в исходном растворе и массовые доли веществ, оставшихся в растворе после электролиза.
18. После электролиза с инертными электродами 500г водного раствора сульфата меди с массовой долей 16% масса раствора уменьшилась на 16г. Определите массу меди, выделившейся на катоде и массовые доли веществ, оставшихся в растворе после электролиза.
19. После электролиза 250 г раствора нитрата ртути (II) с массовой долей соли 19,5% масса раствора уменьшилась на 20,22%. Определите массы веществ, выделившихся на электродах, и молярную концентрацию веществ в конечном растворе, если его плотность составила 1,06 мл.
20. В результате электролиза 400мл 20%-ного раствора CuSO4 с плотностью 1,2г/мл на аноде выделилось 4,48л (н.у.) газа. Определите массы веществ, выделившихся на электродах и массовые доли веществ в конечном растворе.
21. После электролиза 200г 2%-ного водного раствора гидроксида натрия массовая доля гидроксида натрия увеличилась на 0,44%. Определите количества веществ, выделившихся на катоде и аноде.
22. При электролизе соли металла, проявляющего в своих соединениях степени окисления +2 и +3, на катоде было получено 2,6 г металла, а на аноде выделился 1,68 л (н.у.) газа с плотностью по водороду 35,5. Определите формулу соли, которая подверглась электролизу. Ответ: CrCl3
23. 150 г раствора, содержащего 8% сульфата меди (II) и 11,7% хлорида натрия, подвергли электролизу. Электролиз прекратили, когда на катоде выделилось 1,12л (н.у.) водорода. Определите, какие вещества находятся в растворе после электролиза, а также их количество.
24. Раствор, содержащий по 0,2 моль нитрата меди (II), хлорида калия и сульфата рубидия, подвергли электролизу до полного выделения меди. Определите объёмы газов, выделившихся на электродах, и количества веществ в полученном растворе. Какова среда конечного раствора?
25. Раствор, содержащий 0,1моль нитрата ртути (II), 0,3 моль хлорида калия и 0,2моль сульфата натрия подвергли электролизу до полного выделения хлора. Определите объёмы газов, выделившихся на электродах и количества веществ в полученном растворе. Какова среда полученного раствора?
Другие задачи на электролиз:
26. Электролиз 282 г 40%-ного раствора нитрата меди (II) остановили после того, когда масса раствора уменьшилась на 32 г. К образовавшемуся раствору добавили 140 г 40%-ного раствора гидроксида натрия. Определите массовую долю щелочи в полученном растворе.
27. При проведении электролиза 340 г 20%-ного раствора нитрата серебра (I) процесс прекратили, когда на аноде выделилось 1, 12 л газа. Из полученного раствора отобрали порцию массой 79,44 г. Вычислите массу 10%-ного раствора хлорида натрия, необходимого для полного осаждении ионов серебра из отобранной порции раствора.
28. При проведении электролиза 312 г 15%-ного раствора хлорида натрия процесс прекратили, когда на катоде выделилось 6,72 л газа. Из полученного раствора отобрали порцию массой 58,02 г. Вычислите массу 20%-ного раствора сульфата меди (II), необходимого для полного осаждения гидроксид-ионов из отобранной порции раствора.
29. Электролиз 640 г 15%-ного раствора сульфата меди (II) остановили после того, когда масса раствора уменьшилась на 32 г. К образовавшемуся раствору добавили 400 г 20%-ного раствора гидроксида натрия. Определите массовую долю щелочи в полученном растворе.
30. При проведении электролиза 360 г 18,75% раствора хлорида меди (II) процесс прекратили, когда на аноде выделилось 4,48 л газа. Из полученного раствора отобрали порцию массой 22,2 г. Вычислите массу 20 %-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди из отобранной порции раствора.
31. При проведении электролиза 624 г 10%-ного раствора хлорида бария процесс прекратили, когда на катоде выделилось 4,48 л газа. Из полученного раствора отобрали порцию массой 91,41 г. Вычислите массу 10%-ного раствора карбоната натрия, необходимого для полного осаждения ионов бария из отобранной порции раствора.
32. При проведении электролиза 500 г 16%-ного раствора сульфата меди (II) процесс прекрати, когда на аноде выделилось 1,12 л газа. К образовавшемуся раствору прибавили 53 г 10%-ного раствора карбоната натрия. Определите массовую долю сульфата меди (II) в полученном растворе.
33. Через 200 г раствора поваренной соли, содержащего 17,55 мас. % NaСl, некоторое время пропускали постоянный ток. Выделилось 3,36 л хлора (н.у.). Определите концентрации веществ в мaс.% в полученном растворе.
34. При электролизе 188 г 50 мас. % раствора нитрата меди (II) на катоде выделилось 19,2 г металла. Найти объем газа (н.у.), выделившегося на аноде, и концентрации кислоты и соли в массовых процентах в электролизере.
35. После электролиза 250 г раствора нитрата ртути (II) с массовой долей соли 19,5 % масса раствора уменьшилась на 10,85 г. Определите количества веществ, выделившихся на электродах и массовые доли веществ в оставшемся растворе.
36. 50 г водного раствора сульфата меди подвергли электролизу, при этом на аноде выделилось 2,8 л газа (н.у.). Определите массовую долю сульфата меди в исходном растворе, если известно, что после электролиза масса раствора составила 42,4 г.
37. Определите состав раствора (в массовых долях), полученного в результате электролиза 100 г раствора сульфата меди, если известно, что во время электролиза на аноде выделилось 2,8 л газа (н.у.), а масса раствора после электролиза составила 92,4 г.
38. 117 г раствора хлорида натрия с массовой долей соли 5 % в течение некоторого времени подвергали электролизу. При этом на электродах выделилось 8,96 л газов (н.у.). Определите состав раствора после электролиза (в массовых долях).
39. 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. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 53 г 10%-ного раствора карбоната натрия. Определите массовую долю сульфата меди(II) в полученном растворе.
40. 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.
Ответ: m(раствора NaOH) = 40 г
41. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 135 г 40%-ного раствора хлорида меди(II). После того как масса раствора уменьшилась на 27 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 160 г 30%-ного раствора гидроксида натрия. Определите массовую долю щёлочи в полученном растворе.
Ответ: w(NaOH) = 12,88%
42. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 390 г 15%-ного раствора хлорида натрия. После того как масса раствора уменьшилась на 21,9 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 160 г 20%-ного раствора сульфата меди(II). Определите массовую долю хлорида натрия в полученном растворе.
2NaCl + 2H2O = H2 + 2NaOH + Cl2 (электролиз)
Ответ: w(NaCl) = 4,6%
43. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 340 г 20%-ного раствора нитрата серебра. После того как на аноде выделилось 1,12 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 79,44 г. Вычислите массу 10%-ного раствора хлорида натрия, необходимого для полного осаждения ионов серебра из отобранной порции раствора.
Ответ: m(раствора NaCl) = 29,25 г
44. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 170 г 40%-ного раствора нитрата серебра. После того как на аноде выделилось 1,12 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 175,5 г 10%-ного раствора хлорида натрия. Определите массовую долю хлорида натрия в полученном растворе.
45. 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.
Ответ: w(NaOH) = 2,16%
46. 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.
Ответ: w(NaOH) = 3,2%
47. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 234 г 20%-ного раствора хлорида натрия. После того как на катоде выделилось 6,72 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 160 г 20%-ного раствора сульфата меди(II). Определите массовую долю щёлочи в полученном растворе.
2NaCl + 2H2O = H2 + 2NaOH + Cl2 (электролиз)
Ответ: w(NaOH) = 2,3%
48. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 470 г 20%-ного раствора нитрата меди(II). После того как масса раствора уменьшилась на 24 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 212 г 10%-ного раствора карбоната натрия. Определите массовую долю нитрата меди(II) в полученном растворе.
49. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 360 г 18,75%-ного раствора хлорида меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили и отобрали порцию полученного раствора массой 22,2 г. Вычислите массу 20%-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди из отобранной порции раствора.
Ответ: m(раствора NaOH) = 8 г
50. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 376 г 30%-ного раствора нитрата меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 224 г 25%-ного раствора гидроксида натрия. Определите массовую долю щёлочи в полученном растворе.
Ответ: w(NaOH) = 1,46%
51. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 624 г 10%-ного раствора хлорида бария. После того как на катоде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 91,41 г. Вычислите массу 10%-ного раствора карбоната натрия, необходимого для полного осаждения ионов бария из отобранной порции раствора.
Ответ: m(раствора Na2CO3) = 47,7 г
51. 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.
2NaCl + 2H2O = H2 + 2NaOH + Cl2 (электролиз)
Ответ: m(раствора CuSO4) = 48 г
52. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 340 г 20%-ного раствора нитрата серебра. После того как масса раствора уменьшилась на 23,2 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 175,5 г 20%-ного раствора хлорида натрия. Определите массовую долю хлорида натрия в полученном растворе.
Ответ: w(NaCl) = 5,05%
53. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 270 г 20%-ного раствора хлорида меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 120 г 20%-ного раствора гидроксида натрия. Определите массовую долю щёлочи в полученном растворе.
Ответ: w(NaOH) = 2,3%
54. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 360 г 15%-ного раствора хлорида меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 66,6 г. Вычислите массу 10%-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди из отобранной порции раствора.
Ответ: m(раствора NaOH) = 32 г
55. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 170 г 15%-ного раствора хлорида лития. После того как на аноде выделилось 2,24 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 410 г 16%-ного раствора фосфата натрия. Определите массовую долю фосфата натрия в полученном растворе.
2LiCl + 2H2O = H2 + 2LiOH + Cl2 (электролиз)
56. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 624 г 10%-ного раствора хлорида бария. После того как на катоде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 265 г 20%-ного раствора карбоната натрия. Определите массовую долю карбоната натрия в полученном растворе.
57. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 240 г 40%-ного раствора сульфата меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 665,6 г 25%-ного раствора хлорида бария. Определите массовую долю хлорида бария в полученном растворе.
58. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 372,5 г 20%-ного раствора хлорида калия. После того как масса раствора уменьшилась на 29,2 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 152 г 20%-ного раствора сульфата железа(II). Определите массовую долю хлорида калия в полученном растворе.
Ответ: w(KCl) = 3,12%
59. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 80 г 20%-ного раствора сульфата меди(II). После того как на аноде выделилось 0,896 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 28 г порошка железа. Определите массовую долю сульфата железа(II) в полученном растворе.
60. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 340 г 40%-ного раствора нитрата серебра. После того как масса раствора уменьшилась на 46,4 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 207,5 г 40%-ного раствора иодида калия. Определите массовую долю иодида калия в полученном растворе.
61. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 180 г 37,5%-ного раствора хлорида меди(II). После того как на аноде выделилось 6,72 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 55,8 г. Вычислите массу 10%-ного раствора сульфида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди из отобранной порции раствора.
Ответ: m(раствора Na2S) = 62,4 г
62. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 270 г 20%-ного раствора хлорида меди(II). После того как масса раствора уменьшилась на 40,5 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 70 г 40%-ного раствора гидроксида калия. Определите массовую долю щёлочи в полученном растворе.
63. Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 640 г 20%-ного раствора сульфата меди(II). После того как на аноде выделилось 5,6 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 65 г порошка цинка. Определите массовую долю сульфата цинка в полученном растворе.
Задачи к разделу Электролиз солей
В данном разделе представлены задачи по теме Электролиз: составление уравнений электродных реакций, протекающих при электролизе, расчеты с применением законов Фарадея.
Задача 1. Составьте уравнения электродных реакций, протекающих при электролизе с нерастворимыми анодами: а) MgCl2; б) MgCl2 и ZnSO4. Рассчитайте, сколько выделится хлора в литрах (н. у.) при пропускании тока силой 5А в течение 3 ч.
Решение.
Переведем часы в секунды: t = 3 ч = 10800 с
V = 11,2∙5∙10800/96500 = 6,3 л.
Составим уравнения электродных реакций, протекающих при электролизе:
MgCl2 расплав
К: Mg 2+ + 2e → Mg 0
A: 2Cl — — 2e → Cl2 0
MgCl2 раствор
К: 2H2O + 2e → H2 0 + 2OH —
A: 2Cl — — 2e → Cl2 0
MgCl2 и ZnSO4растворы
К: 2H2O + 2e → H2 0 + 2OH —
A: 2Cl — — 2e → Cl2 0
Задача 2. Составьте уравнения электродных реакций, протекающих при электролизе раствора CuSO4 с растворимым медным анодом и нерастворимым графитовым анодом. Рассчитайте, сколько растворится меди на аноде при пропускании тока силой 10 А в течение 3 ч.
Решение.
Применим II закон Фарадея
ЭCu = 64/2 = 32 г/моль
m =32∙10∙3∙3600/96500 = 35,8 г
E 0 (Cu 2+ /Cu) = 0,34 В
Растворимый медный анод:
На катоде возможно восстановление меди и воды. Но потенциал меди имеет более положительное значение, чем потенциал восстановления воды (E 0 (H2O/H + ) = -0,41 В), поэтому на катоде будет восстанавливаться медь. На аноде также возможно окисление меди или воды и, т.к. потенциал меди имеет меди имеет меньшее значение, чем потенциал окисления воды (E 0 (H2O/O2) = 0,82 В), то на аноде будет окисляться медь:
К: Cu 2+ + 2e = Cu 0
A: Cu 0 – 2e = Cu 2+
Cu 2+ + Cu 0 = Cu 0 + Cu 2+
Инертный нерастворимый анод:
Соль состоит из катиона неактивного металла и аниона кислородсодержащей кислоты. В этом случае на катоде происходит восстановление меди, а на аноде окисление воды:
K: Cu 2+ + 2e — = Cu
A: 2H 2 O -4e — = O 2 + 4H +
Задача 3. При электролизе соли трехвалентного металла ток силой в 3 А в течение 2 часов выделил на катоде 4,18 г металла. Определите, какой это металл. Напишите уравнения катодного и анодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза расплава и водного раствора карбоната натрия с платиновым анодом.
Решение.
По закону Фарадея:
Подставим значения
М = 4,18∙3∙96500/(3∙2∙3600) = 56 г/моль
Молярную массу равную 56 г/моль имеет атом железа
Напишем уравнения катодного и анодного процессов:
Платиновый анод – инертный, поэтому он не будет участвовать в процессе.
Na2CO3– соль, образованная катионом активного металла и аниона кислородсодержащей кислоты, поэтому, в случае раствора, в обоих процессах будет участвовать вода:
К: 2H2O + 2e → H2 0 + 2OH —
А: 2 H 2 O — 4 e → O2 0 + 4 H +
К: Na + + e → Na 0
А : 2CO 3 2- — 4e — → 2CO2 + O 2
Задача 4. При рафинировании меди током 4,5 А за 1,5 часа выделяется 7,5 г меди. Рассчитайте выход по току. Напишите уравнения катодного и анодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза водного раствора Pb(NO3)2: а) с угольным анодом; б) со свинцовым анодом.
Решение.
Применим закон Фарадея с учетом выхода по току:
Э(Cu) = 64/2 = 32 г/моль
Составим уравнения катодного и анодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза водного раствора Pb(NO3)2:
Pb(NO3)2— соль, образованная катионом неактивного металла и аниона кислородсодержащей кислоты, поэтому
а) с угольным анодом
К: Pb 2+ + 2e → Pb 0
А: 2 H 2 O — 4 e → O 2 0 + 4 H +
2Pb 2+ + 2H2O → 2Pb 0 + O2 0 + 4H +
В прикатодном пространстве накапливается азотная кислота.
б) со свинцовым анодом
К: Pb 2+ + 2e → Pb 0
А: Pb 0 — 2 e → Pb 2+
Pb 2+ + Pb 0 → Pb 0 + Pb 2+
Задача 5. Найдите объем водорода, который выделится при пропускании тока силой в 5 А в течение 3,5 ч через водный раствор серной кислоты. Напишите уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза раствора Н2SО4 с инертным анодом.
Решение.
Применим II закон Фарадея
V = 11,2∙5∙3,5∙3600/96500 = 7,3 л
Напишим уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза раствора Н2SО4 с инертным анодом:
К: 2H + + 2e → H2 0
А: 2 H 2 O — 4 e → O 2 0 + 4 H +
Таким образом, при электролизе серной кислоты с инертными анодами происходит разложение воды.
Задача 6. При электролизе одного из соединений олова ток силой в 2,5А за 20 мин выделил на электродах металл массой 0,9 г. Чему равна валентность олова в этом соединении. Какие продукты могут быть получены при электролизе раствора SnSO4 с графитовыми электродами.
Решение.
По закону Фарадея:
Следовательно, валентность олова z = 4
SnSO4 — соль, образованная катионом неактивного металла и аниона кислородсодержащей кислоты, поэтому в процессе будут участвовать Sn и H2O.
Электроды инертные, поэтому в процессах участия не принимают:
К: Sn 2+ + 2e → Sn 0
А: 2 H 2 O — 4 e → O 2 0 + 4 H +
2Sn 2+ + 2H2O → 2Sn 0 + O2 0 + 4H +
В прикатодном пространстве накапливается серная кислота.
Задача 7. Сколько времени потребуется на электролиз раствора KCl при силе тока 5 А, чтобы выделить хлор объемом 11,2 л (н.у.), если выход по току составляет 90%? Напишите уравнения анодного и катодного процессов, а также суммарное уравнение электролиза.
Решение
Применим закон Фарадея, учитывая при этом выход по току:
t =11,2∙96500∙2/(0,9∙22,4∙5∙3600) = 5,95 ч
KCl — соль, образованная катионом активного металла и аниона бескислородной кислоты, поэтому в катодном процессе участвует вода, а в анодном – хлор:
К: 2H2O + 2e → H2 0 + 2OH —
А: 2 Cl — — 2 e → Cl 2 0
Задачи 34 (2018). Расчет массовой доли химического соединения в смеси.
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.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Ответ: 40 г
Пояснение:
Сульфат меди образован катионами металла, расположенного в ряду активности после водорода, а также кислотными остатками кислородсодержащей неорганической кислоты. Для таких солей продуктами электролиза будут являться свободный металл, кислота и кислород:
2CuSO4 + 2H2O →2Сu↓ + 2H2SO4 + O2↑
Рассчитаем массу и количество вещеcтва сульфата меди (II) в исходном растворе (до электролиза):
mисх.(CuSO4) = mисх.р-ра(CuSO4) ∙ ω(CuSO4)/100% = 500 г ∙ 16%/100% = 80 г;
νисх.(CuSO4) = mисх.(CuSO4)/М(CuSO4) = 80 г/160 г/моль = 0,5 моль.
В нашем случае единственным газообразным продуктом среди продуктов электролиза является кислород. Следовательно, кислород и является тем газом, о котором идет речь в условии. Рассчитаем его количество вещества:
ν(О2) = V(О2)/Vm = 1,12 л/22,4 л/моль = 0,05 моль.
Зная количество вещества кислорода, легко посчитать количество вещества сульфата меди, вступившего в реакцию электролиза:
νпрореаг.(CuSO4) = 2∙ν(О2) = 2 ∙ 0,05 моль = 0,1 моль.
Зная изначальное количество вещества сульфата меди в растворе, а также количество вещества сульфата меди, вступившего в реакцию электролиза, мы можем рассчитать количество сульфата меди, оставшегося в растворе после реакции:
νост.(CuSO4) = νисх.(CuSO4) – νпрореаг.(CuSO4) = 0,5 моль – 0,1 моль = 0,4 моль.
Также в водном растворе после электролиза, помимо сульфата меди, будет содержаться образовавшаяся в результате реакции серная кислота. Количество вещества серной кислоты при этом, исходя из уравнения реакции, в два раза больше количества вещества выделившегося кислорода. Т.е.:
ν(H2SO4) = ν(O2) ∙ 2 = 0,05 моль ∙ 2 = 0,1 моль.
Найдем массу раствора после электролиза. Для этого нам нужно из массы исходного раствора вычесть массу нерастворимых продуктов электролиза. В нашем случае к таким продуктам относятся кислород и металлическая медь.
Рассчитаем массу выделившегося кислорода:
m(О2) =ν(О2) ∙ М(О2) = 0,05 моль ∙ 32 г/моль = 1,6 г.
Рассчитаем количество вещества образовавшейся меди и ее массу:
ν(Cu) = 2ν(O2) = 2∙ 0,05 моль = 0,1 моль;
ν(Cu) =ν(Cu) ∙ М(Cu) = 0,1 моль ∙ 64 г/моль = 6,4 г.
Теперь мы можем рассчитать массу раствора после электролиза:
mр-ра после эл-за = mисх. р-ра(CuSO4) – m(O2) – m(Cu) = 500 г – 1,6 г – 6,4 г = 492 г
По условию из полученного в результате электролиза раствора была отобрана порция массой 98,4 г, что составляет 98,4/492 = 1/5 его часть. Поскольку отобрали 1/5 часть раствора, следовательно, отобрали и 1/5 часть каждого компонента этого раствора. Таким образом, зная, что раствор после электролиза содержал 0,4 моль сульфата меди и 0,1 моль серной кислоты, мы можем сказать, что в отобранной порции:
νв порции(CuSO4) = 0,4 моль ∙ 1/5 = 0,08 моль
νв порции(H2SO4) = 0,1 моль ∙ 1/5 = 0,02 моль
В условии задания спрашивают массу раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди из раствора. Следует отметить, что гидроксид меди не способен образовываться в кислой среде, т.е. в нашем случае до того момента, как не будет нейтрализована вся серная кислота в растворе. Таким образом, для полного осаждения ионов меди понадобится такое количество гидроксида натрия, которое полностью прореагирует и с серной кислотой, и с сульфатом меди в соответствии со следующими уравнениями реакций:
H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O (I)
CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2↓+ Na2SO4 (II)
Рассчитаем количество вещества гидроксида натрия, которое пошло на реакцию с серной кислотой. В соответствии с уравнением реакции I:
νI(NaOH) = 2∙νв порции(H2SO4) = 2 ∙ 0,02 моль = 0,04 моль.
Аналогично рассчитаем количество вещества гидроксида натрия, которое пошло на реакцию с сульфатом меди. В соответствии с уравнением реакции II:
νII(NaOH) = 2∙νв порции(CuSO4) = 2 ∙ 0,08 моль = 0,16 моль.
Следовательно, суммарное количество вещества гидроксида натрия будет составлять:
νобщ.(NaOH) = νI(NaOH) + νII(NaOH) = 0,04 моль + 0,16 моль = 0,2 моль
Тогда, mобщ.(NaOH) = νобщ.(NaOH) ∙ М(NaOH) = 0,2 моль ∙ 40 г/моль = 8 г.
Следовательно, масса раствора гидроксида натрия будет равна:
mр-ра(NaOH) = 100% ∙ m(NaOH)в-ва/ω(NaOH) = 100% ∙ 8 г/20% = 40 г.
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).
Ответ: 2,16 %
Пояснение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора нитрата меди (II):
2Cu(NO3)2 + 2H2O → 2Сu↓ + O2↑ + 4HNO3
Предположим, что электролиз провели таким образом, что нитрат меди израсходовался не весь. В таком случае потеря 32 г массы раствора обусловлена образованием только меди и кислорода, т.е.:
m(Cu) + m(O2) = 32 г.
Обозначим количество вещества образовавшегося кислорода как x. Тогда, исходя из уравнения реакции электролиза, можно записать, что
ν(Cu) = 2ν(O2) = 2∙х моль
Следовательно:
m(Cu) = ν(Cu) ∙ M(Cu) = 2х моль ∙ 64 г/моль = 128х г;
m(O2) = ν(O2) ∙ M(O2) = х моль ∙ 32 г/моль = 32x г
Тогда справедливым будет следующее уравнение:
128х + 32x = 32
Т.е. ν(O2) = x моль = 0,2 моль, а ν(Cu) = 2 ∙ x моль = 2 ∙ 0,2 моль = 0,4 моль
Рассчитаем количество вещества нитрата меди, оставшегося в растворе после электролиза. Из уравнения реакции электролиза следует, что количество вещества металлической меди и количество вещества нитрата меди, вступившего в реакцию электролиза, равны. Тогда:
То, что мы получили положительное значение количества оставшегося нитрата меди означает, что изначальное предположение о том, что нитрат меди израсходовался не весь, оказалось верным.
Следует учесть, что, помимо непрореагировавшего нитрата меди, в растворе будет также содержаться азотная кислота, образовавшаяся в результате электролиза. При этом, исходя из уравнения реакции электролиза, можно сделать вывод о том, что количество вещества азотной кислоты в 4 раза больше количества вещества выделившегося кислорода. Т.е.:
ν(HNO3) = 4ν(O2) = 4 ∙ 0,2 моль = 0,8 моль.
Рассчитаем массу и количество вещества гидроксида натрия в прибавляемом растворе:
mисх.(NaOH) = mр-ра(NaOH) ∙ ω(NaOH)/100% = 140 г ∙ 40%/100% = 56 г;
νисх.(NaOH) = mисх.(NaOH)/M(NaOH) = 56 г/40 г/моль = 1,4 моль.
Добавленный гидроксид натрия будет реагировать с оставшимся нитратом меди и образовавшейся азотной кислотой:
Cu(NO3)2 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + 2NaNO3 (I)
HNO3 + NaOH → NaNO3 + Н2О (II)
Рассчитаем количество вещества гидроксида натрия, которое пошло на реакцию с нитратом меди:
νI(NaOH) = 2∙ν(Cu(NO3)2) = 2 ∙ 0,2 моль = 0,4 моль
Рассчитаем количество вещества гидроксида натрия, которое пошло на реакцию с азотной кислотой:
νII(NaOH) = ν(HNO3) = 0,8 моль
Тогда общее количество вещества гидроксида натрия, вступившего в обе реакции, будет равно:
νобщ. прореаг.(NaOH) = νI(NaOH) + νII(NaOH) = 0,4 моль + 0,8 моль = 1,2 моль
Рассчитаем количество вещества оставшегося гидроксида натрия:
νост.(NaOH) = νисх.(NaOH) – νобщ. прореаг.(NaOH) = 1,4 моль–1,2 моль = 0,2 моль;
mост.(NaOH) = νост.(NaOH) ∙ М(NaOH) = 0,2 моль ∙ 40 г/моль = 8 г.
Из необходимых для расчета величин не хватает массы гидроксида меди. Рассчитаем ее. Учитывая что, количество образующегося гидроксида меди в два раза меньше количества вещества гидроксида натрия, ушедшего на реакцию с нитратом меди, мы можем записать, что:
ν(Cu(OH)2) = vI(NaOH)/2 = 0,4 моль/2 = 0,2 моль, следовательно:
m(Cu(OH)2) = ν(Cu(OH)2) ∙ M(Cu(OH)2) = 0,2 моль ∙ 98 г/моль = 19,6 г
Тогда:
mкон.р-ра = mисх.(Cu(NO3)2)р-ра – m(Cu и O2) + mисх.р-ра(NaOH) – m(Cu(OH)2) = 282 г – 32 г + 140 г – 19,6 г = 370,4 г;
ω(NaOH) = 100% ∙ mост.(NaOH)/mкон.р-ра = 100% ∙ 8 г/370,4 г = 2,16 %.
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 340 г 20%-ного раствора нитрата серебра. После того как на аноде выделилось 1,12 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 79,44 г. Вычислите массу 10%-ного раствора хлорида натрия, необходимого для полного осаждения ионов серебра 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).
Ответ: 29,25 г
Пояснение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора нитрата серебра:
4AgNO3 + 2H2O → 4Ag↓ + O2↑+ 4HNO3
Рассчитаем массу и количество вещества исходного нитрата серебра:
mисх.(AgNO3) = m р-ра (AgNO3) ∙ ω(AgNO3)/100% = 340 г ∙ 20%/100% = 68 г;
νисх.(AgNO3) = m исх.(AgNO3)/М(AgNO3) = 68 г/170 г/моль = 0,4 моль.
Единственным газом, выделившимся при электролизе, является кислород, следовательно, это тот газ, о котором идет речь в условии. Рассчитаем количество вещества кислорода:
ν(О2) = V(О2)/Vm = 1,12 л/22,4 л/моль = 0,05 моль.
Рассчитаем количество вещества нитрата серебра, вступившего в реакцию электролиза:
νпрореаг.(AgNO3) = 4∙ν(О2) = 4 ∙ 0,05 моль = 0,2 моль.
Найдем количество вещества и массу AgNO3, оставшегося в растворе:
νост.(AgNO3) = νисх.(AgNO3) – νпрореаг.(AgNO3) = 0,4 моль – 0,2 моль = 0,2 моль.
После электролиза раствор помимо нитрата серебра будет содержать также азотную кислоту. Из уравнения реакции электролиза следует, что количество вещества азотной кислоты равно количеству вещества нитрата серебра, вступившего в реакцию:
ν(HNO3) = νпрореаг.(AgNO3) = 0,2 моль.
Рассчитаем массу раствора нитрата серебра после электролиза:
mкон.р-ра = m(AgNO3)р-ра – m(O2) – m(Ag);
m(О2) = ν(О2) ∙ М(О2) = 0,05 моль ∙ 32 г/моль = 1,6 г;
ν(Ag) = νпрореаг.(AgNO3) = 0,2 моль;
m(Ag) = ν(Ag) ∙ М(Ag) = 0,2 моль ∙ 108 г/моль = 21,6 г;
mкон.р-ра = mисх.р-ра (AgNO3) – m(O2) – m(Ag) = 340 г – 1,6 г – 21,6 г = 316,8 г.
По условию задачи после электролиза отобрали порцию раствора массой 79,44 г, что составляет 79,44/316,8
1/4 часть.
Поскольку отобрали 1/4 часть раствора, это значит, что отобрали и 1/4 часть каждого компонента этого раствора.
Следовательно, в отобранной порции будет:
νв порции(AgNO3) = νост.(AgNO3) ∙ 1/4 = 0,2 моль ∙ 1/4 = 0,05 моль
νв порции(HNO3) = ν(HNO3) ∙ 1/4 = 0,2 моль ∙ 1/4 = 0,05 моль
Хлорид натрия не реагирует с азотной кислотой, а только с нитратом серебра:
AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3
ν(NaCl) = νв порции(AgNO3) = 0,05 моль;
m(NaCl) = ν(NaCl) ∙ М(NaCl) = 0,05 моль ∙ 58,5 г/моль = 2,925 г;
mр-ра(NaCl) = 100% ∙ m(NaCl)/ω(NaCl) = 100% ∙ 2,925 г/10% = 29,25 г.
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).
Ответ: 48 г
Пояснение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора хлорида натрия:
2NaCl + 2H2O → H2↑ + Cl2↑+ 2NaOH
Рассчитаем массу и количество вещества хлорида натрия в растворе до электролиза:
mисх.(NaCl) = mр-ра(NaCl) ∙ ω(NaCl)/100% = 312 г ∙ 15%/100% = 46,8 г;
νисх.(NaCl) = mисх.(NaCl)/М(NaCl) = 46,8 г/58,5 г/моль = 0,8 моль.
Согласно уравнению электролиза выделяется два газообразных продукта. На аноде выделился хлор, а на катоде — водород. Следовательно, газ, объем которого дан в условии, это водород. Рассчитаем его количество вещества:
ν(H2) = V(H2)/Vm = 6,72 л/22,4 л/моль = 0,3 моль.
Найдем количество вещества образовавшегося гидроксида натрия:
ν(NaOH) = 2∙ ν(H2) = 2 ∙ 0,3 моль = 0,6 моль
Рассчитаем массу раствора после электролиза:
mр-ра после эл-за = m(NaCl)р-ра – m(H2) – m(Cl2);
m(H2) = ν(H2) ∙ М(H2) = 0,3 моль ∙ 2 г/моль = 0,6 г;
ν(Cl2) = ν(H2) = 0,3 моль;
m(Cl2) = ν(Cl2) ∙ М(Cl2) = 0,3 моль ∙ 71 г/моль = 21,3 г;
mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(NaCl) – m(H2) – m(Cl2) = 312 г – 0,6 г – 21,3 г = 290,1 г
Из раствора после электролиза отобрали 58,02 г, что составляет 58,02/290,1 = 1/5 его часть.
Так как из раствора взяли 1/5 его часть, это значит, что и 1/5 часть взяли каждого компонента этого раствора.
Следовательно,
νв порции(NaOH) = νв р-ре после эл-за(NaOH) ∙ 1/5 = 0,6 моль ∙ 1/5 = 0,12 моль
Наличие хлорида натрия в растворе после электролиза нас не интересует, т.к. он не реагирует с сульфатом меди. Поэтому его количество мы рассчитывать не будем.
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).
Ответ: 3,24 %
Пояснение:
Уравнение электролиза водного раствора сульфата меди (II):
2CuSO4 + 2H2O → 2Сu↓ + O2↑+ 2H2SO4.
Предположим, что электролиз провели таким образом, что сульфат меди израсходовался не полностью. В таком случае потеря 32 г массы обусловлена образованием только меди и кислорода, т.е.:
m(Cu) + m(O2) = 32 г.
Обозначим количество вещества образовавшегося кислорода как x моль. Тогда, исходя из уравнения реакции электролиза, можно записать, что:
ν(Cu) = 2ν(O2) = 2x моль
Следовательно,
m(Cu) = M(Cu) ∙ ν(Cu) = 64 г/моль ∙ 2x моль = 128x г;
m(O2) = M(O2) ∙ ν(O2) = 32x моль.
Тогда справедливым будет следующее уравнение:
128x + 32x = 32.
Решим его:
160x = 32;
x = 0,2.
То есть:
ν(O2) = x моль, а ν(Cu) = 2ν(O2) = 2x моль = 2 ∙ 0,2 моль = 0,4 моль.
Рассчитаем массу и количество вещества сульфата меди в исходном растворе:
mисх.(CuSO4) = mисх.р-ра(CuSO4) ∙ ω(CuSO4)/100% = 640 г ∙ 15%/100% = 96 г;
νисх.(CuSO4) = mисх.(CuSO4)/M(CuSO4) = 96 г/160 г/моль = 0,6 моль.
Рассчитаем количество вещества сульфата меди, оставшегося в растворе после электролиза. Из уравнения реакции электролиза следует, что количество вещества металлической меди и количество вещества сульфата меди, вступившего в реакцию электролиза, равны. Тогда:
νост.(CuSO4) = νисх.(CuSO4) – νпрореаг.(CuSO4) = 0,6 моль – 0,4 моль = 0,2 моль
То, что мы получили положительное значение количества сульфата меди, оставшегося в растворе после электролиза, означает, что изначальное предположение о том, что израсходовался не весь сульфат меди, оказалось верным.
Следует учесть, что помимо непрореагировавшего сульфата меди в растворе также будет содержаться серная кислота, образовавшаяся в результате электролиза. При этом, исходя из уравнения реакции, можно сделать вывод о том, что:
ν(H2SO4) = 2∙(O2) = 2∙0.2 моль = 0,4 моль.
Рассчитаем массу и количество вещества в прибавляемом растворе:
mисх.(NaOH) = mисх.р-ра(NaOH) ∙ ω(NaOH)/100% = 400 г ∙ 20%/100% = 80 г;
νисх.(NaOH) = mисх.(NaOH)/M(NaOH) = 80 г/40 г/моль = 2 моль.
Из условия задачи следует, что гидроксид натрия был добавлен в избытке. Следовательно, он будет реагировать и с серной кислотой, и с сульфатом меди:
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O (I)
CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4 (II)
νI(NaOH) = 2ν(H2SO4) = 2 ∙ 0,4 моль = 0,8 моль;
νII(NaOH) = 2ν(CuSO4) = 2 ∙ 0,2 моль = 0,4 моль.
Таким образом, общее количество вещества прореагировавшего гидроксида натрия будет равно:
νпрореаг.(NaOH) = νI(NaOH) + νII(NaOH) = 0,8 моль + 0,4 моль = 1,2 моль.
Тогда количество вещества непрореагировавшего гидроксида натрия будет составлять:
νост.(NaOH) = νисх.(NaOH) − νпрореаг.(NaOH) = 2 моль – 1,2 моль = 0,8 моль;
следовательно,
mост.(NaOH) = νост.(NaOH) ∙ M(NaOH) = 0,8 моль ∙ 40 г/моль = 32 г.
Найдем массу образовавшегося раствора и массовую долю гидроксида натрия в нем:
mкон.р-ра = mисх.р-ра(CuSO4) – m(Cu) – m(O2) + mисх.р-ра(NaOH) – m(Cu(OH)2).
Для расчета массы конечного раствора нам не хватает одной величины – массы осадка гидроксида меди (II). Учитывая, что ν(Cu(OH)2) = νост.(CuSO4) = 0,2 моль:
m(Cu(OH)2) = M(Cu(OH)2) ∙ ν(Cu(OH)2) = 98 г/моль ∙ 0,2 моль =19,6 г.
Тогда:
mкон.р-ра = mисх.р-ра(CuSO4) – m(Cu и O2) + mисх.р-ра(NaOH) – m(Cu(OH)2) = 640 г – 32 г + 400 г – 19,6 г = 988,4 г;
ω(NaOH) = 100% ∙ m(NaOH)ост./mкон.р-ра = 100% ∙ 32 г/988,4 г = 3,24 %.
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 360 г 18,75%-ного раствора хлорида меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили и отобрали порцию полученного раствора массой 22,2 г. Вычислите массу 20%-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди 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).
Ответ: 8 г
Пояснение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора хлорида меди (II):
CuCl2 → Сu↓ + Cl2↑
Найдем массу и количество вещества исходного хлорида меди (II):
m(CuCl2)исх. = m(CuCl2)р-ра ∙ ω(CuCl2) = 360 г ∙ 0,1875 = 67,5 г;
ν(CuCl2)исх. = m(CuCl2)исх./М(CuCl2) = 67,5 г/135 г/моль = 0,5 моль.
Единственным газом, выделившимся при электролизе, является хлор, следовательно, это тот газ, о котором идет речь в условии. Рассчитаем количество вещества хлора:
ν(Cl2) = V(Cl2)/Vm = 4,48 л/22,4 л/моль = 0,2 моль.
Рассчитаем массу и количество вещества исходного хлорида меди:
mисх.(CuCl2) = mисх.р-ра(CuCl2) ∙ ωисх.(CuCl2)/100% = 360 г ∙ 18,75%/100% = 67,5 г;
νисх.(CuCl2) = mисх.(CuCl2)/M(CuCl2) = 67,5 г/135 г/моль = 0,5 моль.
В соответствии с уравнением реакции электролиза νпрореаг.(CuCl2) = ν(Cl2) = 0,2 моль.
Найдем количество вещества CuCl2, оставшегося в растворе:
νост.(CuCl2) = νисх.(CuCl2) – νпрореаг.(CuCl2) = 0,5 моль – 0,2 моль = 0,3 моль.
Найдем массу раствора после электролиза:
mкон.р-ра = m(CuCl2)р-ра – m(Cl2) – m(Cu);
m(Cl2) = ν(Cl2) ∙ М(Cl2) = 0,2 моль ∙ 71 г/моль = 14,2 г;
ν(Cu) = ν(Cl2) = 0,2 моль;
m(Cu) = ν(Cu) ∙ М(Cu) = 0,2 моль ∙ 64 г/моль = 12,8 г;
mкон.р-ра = m(CuCl2)р-ра – m(Cl2) – m(Cu) = 360 г – 14,2 г – 12,8 г = 333 г.
Из раствора, полученного в результате электролиза, отобрали 22,2 г, что составляет 22,2/333 = 1/15 часть. Поскольку отобрали 1/15 часть от всего раствора, следовательно, отобрали и 1/15 часть каждого компонента раствора. Таким образом, в отобранной порции раствора будет содержаться:
νв порции(CuCl2) = νост.(CuCl2) ∙ 1/15 = 0,02 моль
Найдем массу раствора гидроксида натрия, необходимого для осаждения Cu 2+ :
ν(NaOH) = 2∙νпорц.(CuCl2)= 2 ∙ 0,02 моль = 0,04 моль;
m(NaOH) = ν(NaOH) ∙ М(NaOH) = 0,04 моль ∙ 40 г/моль = 1,6 г;
mр-ра(NaOH) = 100% ∙ m(NaOH)/ω(NaOH) = 100% ∙ 1,6 г/20% = 8 г.
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 624 г 10%-ного раствора хлорида бария. После того как на катоде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 91,41 г. Вычислите массу 10%-ного раствора карбоната натрия, необходимого для полного осаждения ионов бария 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).
Ответ: 47,7 г
Решение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора хлорида бария:
ВaCl2 + 2H2O → H2↑ + Cl2↑+ Вa(OH)2
Найдем массу и количество вещества исходного хлорида бария:
mисх.(ВaCl2) = mисх.р-ра(ВaCl2) ∙ ω(ВaCl2)/100% = 624 г ∙ 10%/100% = 62,4 г;
νисх.(ВaCl2) = mисх.(ВaCl2)/М(ВaCl2) = 62,4 г/208 г/моль = 0,3 моль.
Газ, выделившийся на катоде, это водород. Рассчитаем его количество вещества:
ν(H2) = V(H2)/Vm = 4,48 л/22,4 л/моль = 0,2 моль.
Найдем количество вещества и массу образовавшегося Вa(OH)2:
ν(Вa(OH)2) = ν(H2) = 0,2 моль.
Найдем количество вещества хлорида бария, оставшегося в растворе:
νпрореаг.(ВaCl2) = ν(H2) = 0,2 моль;
νост.(ВaCl2) = νост.(ВaCl2) – νпрореаг.(ВaCl2) = 0,3 моль – 0,2 моль = 0,1 моль.
Найдем массу раствора после электролиза:
mкон.р-ра = mр-ра(ВaCl2) – m(H2) – m(Cl2);
m(H2) = ν(H2) ∙ М(H2) = 0,2 моль ∙ 2 г/моль = 0,4 г;
ν(Cl2) = ν(H2) = 0,2 моль;
m(Cl2) = ν(Cl2) ∙ М(Cl2) = 0,2 моль ∙ 71 г/моль = 14,2 г;
mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(ВaCl2) – m(H2) – m(Cl2) = 624 г – 0,4 г – 14,2 г = 609,4 г.
Из раствора, полученного в результате электролиза, отобрали порцию массой 91,41 г. Это составляет часть, равную 91,41/609,4 = 0,15 от этого раствора.
Мы отобрали порцию раствора, составляющую 0,15 часть его часть, следовательно, мы отобрали 0,15 часть каждого компонента этого раствора. Таким образом:
νв порции(Ba(OH)2) = 0,15 ∙ ν(Вa(OH)2) = 0,15 ∙ 0,2 моль = 0,03 моль;
νв порции(BaCl2) = 0,15 ∙ νост.(ВaCl2) = 0,15 ∙ 0,1 моль = 0,015 моль.
С карбонатом натрия будут реагировать и гидроксид бария, и хлорид бария. Запишем уравнения реакций
Вa(OH)2 + Na2CO3 → ВaCO3↓ + 2NaOH (I)
ВaCl2 + Na2CO3 → ВaCO3↓ + 2NaCl (II)
Найдем массу раствора карбоната натрия, необходимого для осаждения ионов бария.
Рассчитаем количество вещества карбоната натрия, которое пошло на реакцию с гидроксидом бария:
νI(Na2CO3) = νв порции(Ba(OH)2) = 0,03 моль.
Рассчитаем количество вещества карбоната натрия, которое пошло на реакцию с хлоридом бария:
νII(Na2CO3)2 = νв порции(BaCl2) = 0,015 моль.
Таким образом, общее количество вещества карбоната натрия будет равно:
ν(Na2CO3) = νI(Na2CO3) + νII(Na2CO3)2 = 0,03 моль + 0,015 моль = 0,045 моль.
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. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 53 г 10%-ного раствора карбоната натрия. Определите массовую долю сульфата меди(II) в полученном растворе.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Ответ: 11,79 %
Решение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора сульфата меди (II):
2CuSO4 + 2H2O → 2Сu↓ + O2↑+ 2H2SO4.
Найдем массу и количество вещества исходного сульфата меди (II):
mисх.(CuSO4) = mисх.р-ра(CuSO4) ∙ ω(CuSO4)/100% = 500 г ∙ 16%/100% = 80 г;
νисх.(CuSO4) = mисх.(CuSO4)/М(CuSO4) = 80 г/160 г/моль = 0,5 моль.
Найдем количество вещества выделившегося на аноде кислорода:
ν(О2) = V(О2)/Vm = 1,12 л/22,4 л/моль = 0,05 моль.
Найдем количество вещества и массу сульфата меди, оставшегося в растворе после электролиза:
νпрореаг.(CuSO4) = 2∙ν(О2) = 2 ∙ 0,05 моль = 0,1 моль;
νост.(CuSO4) = νисх.(CuSO4) – νпрореаг.(CuSO4) = 0,5 моль – 0,1 моль = 0,4 моль;
mост.(CuSO4) = νост.(CuSO4)∙ М(CuSO4) = 0,4 моль ∙ 160 г/моль = 64 г.
Найдем количество вещества образовавшейся серной кислоты:
ν(Н2SO4) = νпрореаг.(CuSO4) = 0,1 моль.
Для того, чтобы сульфат меди прореагировал с карбонатом натрия, прежде всего должна быть нейтрализована серная кислота.
Карбонат реагирует с серной кислотой в соответствии с уравнением
Н2SO4 + Na2CO3 → СО2↑ + Н2О + Na2SO4 (I)
Напомним, что ν(Н2SO4) = 0,1 моль, а ν(Nа2СО3) = 0,05 моль.
Серная кислота находится в явном избытке, в связи с чем реакция сульфата меди с карбонатом натрия невозможна, т.к. израсходуется весь карбонат натрия.
Рассчитаем количество вещества выделившегося CO2 и его массу:
ν(Na2CO3) = ν(СО2) = 0,05 моль;
m(СО2) = ν(СО2) ∙ M(СО2) = 0,05 моль ∙ 44 г/моль = 2,2 г.
Найдем массу конечного раствора:
mкон.р-ра = mисх.р-ра(CuSO4) – m(Сu) – m(О2) + m(Nа2СО3) – m(СО2);
m(О2) = ν(О2) ∙ М(О2) = 0,05 моль ∙ 32 г/моль = 1,6 г;
ν(Cu) = 2∙ν(О2) = 2 ∙ 0,05 моль = 0,1 моль;
m(Cu) = ν(Cu) ∙ М(Cu) = 0,1 моль ∙ 64 г/моль = 6,4 г;
mкон.р-ра = mисх.р-ра(CuSO4)– m(Сu) – m(О2) + m(Nа2СО3) – m(СО2) = 500 г – 6,4 г – 1,6 г + 53 г – 2,2 г = 542,8 г;
Найдем массовую долю сульфата меди (II) в полученном растворе:
ω(CuSO4) = 100% ∙ mост.(CuSO4)/mкон.р-ра = 100% ∙ 64 г/542,8 г = 11,79 %.
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 135 г 40%-ного раствора хлорида меди(II). После того как масса раствора уменьшилась на 27 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 160 г 30%-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).
Ответ: 12,88 %
Решение:
Уравнение электролиза водного раствора хлорида меди:
CuCl2 = Cu↓ + Cl2↑
Рассчитаем массу хлорида меди в исходном растворе и его количество вещества:
mисх.(CuCl2) = mисх.р-ра(CuCl2) · ωисх.(CuCl2)/100% = 135 г · 40%/100% = 54 г;
νисх.(CuCl2) = mисх.(CuCl2)/M(CuCl2) = 54 г/135 г/моль = 0,4 моль.
Изменение массы раствора в результате электролиза обусловлено образованием нерастворимых продуктов, а именно металлической меди и газообразного хлора, т.е.:
m(Cu) + m(Cl2) = 27 г.
Обозначим количество вещества образовавшейся металлической меди как x моль.
В то же время ν(Cl2) = ν(Cu) = x моль, следовательно:
m(Cl2) = M(Cl2) · ν(Cl2) = 71 г/моль · x моль = 71x г;
m(Cu) = M(Cu) · ν(Cu) = 64 г/моль · x моль = 64x г.
Следовательно,
71x + 64x = 27;
135x = 27;
x = 0,2
Таким образом, ν(Cu) = ν(Cl2) = 0,2 моль.
Исходя из уравнения реакции электролиза:
νпрореаг.(CuCl2) = ν(Cu) = 0,2 моль.
Рассчитаем количество вещества хлорида меди, оставшегося в растворе после электролиза:
νост.(CuCl2) = νисх.(CuCl2) − νпрореаг.(CuCl2) = 0,4 моль − 0,2 моль = 0,2 моль.
Найдем массу раствора после электролиза:
mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(CuCl2) − m(Cu) − m(Cl2) = 135 г − 27 г = 108 г.
Рассчитаем массу и количество вещества гидроксида натрия:
mисх.(NaOH) = mр-ра(NaOH) · ω(NaOH)/100% = 160 г · 30%/100% = 48 г;
νисх.(NaOH) = m(NaOH)/M(NaOH) = 48 г/40 г/моль = 1,2 моль.
Запишем уравнение реакции между гидроксидом натрия и хлоридом меди:
CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaCl
Рассчитаем количество вещества и массу выпавшего в осадок гидроксида меди:
ν(Cu(OH)2) = νост.(CuCl2) = 0,2 моль;
m(Cu(OH)2) = ν(Cu(OH)2) · M(Cu(OH)2) = 0,2 моль · 98 г/моль = 19,6 г.
Количество вещества прореагировавшего гидроксида натрия будет равно:
νпрореаг.(NaOH) = 2νост.(CuCl2) = 2 · 0,2 моль = 0,4 моль.
Рассчитаем количество вещества и массу оставшегося после реакции с хлоридом меди гидроксида натрия:
νост.(NaOH) = νисх.(NaOH) − νпрореаг.(NaOH) = 1,2 моль − 0,4 моль = 0,8 моль;
mост.(NaOH) = νост.(NaOH) · M(NaOH) = 0,8 моль · 40 г/моль = 32 г.
Рассчитаем массу конечного раствора:
mкон. р-ра = mр-ра после эл-за + mр-ра(NaOH) − m(Cu(OH)2) = 108 г + 160 г − 19,6 г = 248,4 г.
Следовательно,
ωконечн.(NaOH) = 100% · mост.(NaOH)/mкон. р-ра = 100% · 32 г/248,4 г = 12,88 %.
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 390 г 15%-ного раствора хлорида натрия. После того как масса раствора уменьшилась на 21,9 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 160 г 20%-ного раствора сульфата меди(II). Определите массовую долю хлорида натрия в полученном растворе.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Ответ: 4,60 %
Решение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора хлорида натрия:
2NaCl + 2H2O = 2NaOH + Cl2↑ + H2↑
Рассчитаем массу и количество вещества исходного хлорида натрия в растворе до электролиза:
mисх.(NaCl) = mисх.р-ра(NaOH) ·ω(NaOH)/100% = 390 г · 15%/100% = 58,5 г;
νисх.(NaCl) = mисх.(NaCl)/M(NaCl) = 58,5 г/58,5 г/моль = 1 моль.
Уменьшение массы раствора в результате электролиза обусловлено образованием нерастворимых продуктов, а именно хлора и водорода,
т.е. m(Cl2) + m(H2) = 21,9 г.
Пусть ν(Cl2) = x моль, тогда в соответствии с уравнением реакции электролиза ν(H2) =ν(Cl2) = x моль.
Выразим массы образующихся хлора и водорода через x:
m(Cl2) = M(Cl2) · ν(Cl2) = 71 г/моль · x моль = 71x г;
m(H2) = M(H2) ·ν(H2) = 2 г/моль · x моль = 2x г.
Тогда, будет справедливым следующее уравнение:
71x + 2x = 21,9;
73x = 21,9;
x = 0,3.
Рассчитаем массу раствора после электролиза:
mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(NaOH) − m(Cl2) − m(H2) = 390 г − 21,9 г = 368,1 г.
Исходя из уравнения реакции электролиза:
νпрореаг.(NaCl) =ν(NaOH) = 2ν(Cl2) = 2 · 0,3 моль = 0,6 моль.
Рассчитаем количество вещества и массу хлорида натрия, не вступившего в реакцию электролиза, т.е. оставшегося в растворе после электролиза:
νост.(NaCl) =νисх.(NaCl) -νпрореаг.(NaCl) = 1 моль − 0,6 моль = 0,4 моль;
mост.(NaCl) =νост.(NaCl) · M(NaCl) = 0,4 моль · 58,5 г/моль = 23,4 г.
Таким образом, после электролиза водный раствор содержит:
νост.(NaCl) = 0,4 моль;
ν(NaOH) = 0,6 моль.
Из компонентов раствора, полученного в результате электролиза, только гидроксид натрия реагирует с сульфатом меди, содержащимся в прибавляемом растворе. Реакция идет в соответствии с уравнением:
CuSO4 + 2NaOH = Na2SO4 + Cu(OH)2↓
Рассчитаем массу и количество вещества сульфата меди, содержащегося в прибавляемом растворе:
m(CuSO4) = mр-ра(CuSO4) · ω(CuSO4)/100% = 160 г · 0,2 = 32 г;
ν(CuSO4) = m(CuSO4)/M(CuSO4) = 32 г/160 г/моль = 0,2 моль.
Массу конечного раствора можно рассчитать по формуле:
mкон. р-ра = mр-ра после эл-за + mр-ра(CuSO4) − m(Cu(OH)2).
Из необходимых расчетных величин не хватает массы гидроксида меди.
Поскольку,
ν(CuSO4)/1 ν(Na2CO3)/1, где 2 и 1 − соответствующие коэффициенты в уравнении, то это значит, что азотная кислота в избытке. Следовательно, нитрат меди с карбонатом натрия реагировать не будет.
Поскольку карбонат натрия в недостатке, расчет количества вещества углекислого газа и его массы будем вести по нему:
ν(CO2) = ν(Na2CO3) = 0,2 моль;
m(CO2) = ν(CO2) · M(CO2) = 0,2 моль · 44 г/моль = 8,8 г.
Рассчитаем массу конечного раствора:
mкон. р-ра = mр-ра после эл-за + mр-ра(Na2CO3) − m(CO2) = 446 г + 212 г − 8,8 г = 649,2 г.
Количество нитрата меди после прибавления раствора карбоната натрия не изменилось, т.е. осталось равным 0,2 моль. Рассчитаем его массу:
m(Cu(NO3)2) = ν(Cu(NO3)2) · M(Cu(NO3)2) = 0,2 моль · 188 г/моль = 37,6 г
Тогда массовая доля нитрата меди в конечном растворе будет составлять:
w(Cu(NO3)2) = 100% · m(Cu(NO3)2)/mкон. р-ра = 100% · 37,6 г/649,2 г = 5,79 %
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 376 г 30%-ного раствора нитрата меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 224 г 25%-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).
Ответ: 1,46 %
Решение:
Запишем уравнение электролиза нитрата меди:
2Cu(NO3)2 + 2H2O = 2Cu↓ + 4HNO3 + O2↑
Единственным газом, выделяющимся в указанном процессе, является кислород. Следовательно, кислород − это тот газ, о котором идет речь в условии. Рассчитаем его количество вещества:
ν(O2) = V(O2)/Vm = 4,48 л/22,4 л/моль = 0,2 моль.
В соответствии с уравнением реакции электролиза количество вещества образовавшейся азотной кислоты будет равно:
ν(HNO3) = 4ν(O2) = 4 · 0,2 моль = 0,8 моль.
А количество вещества прореагировавшего нитрата меди:
νпрореаг.(Cu(NO3)2) = 2ν(O2) = 2 · 0,2 моль = 0,4 моль.
Тогда количество вещества нитрата меди, оставшегося в растворе после электролиза, будет составлять:
νост.(Cu(NO3)2) = νисх.(Cu(NO3)2) − νпрореаг.(Cu(NO3)2) = 0,6 моль − 0,4 моль = 0,2 моль.
Рассчитаем массу раствора после электролиза:
mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(Cu(NO3)2 − m(Cu) − m(O2).
Для расчета массы раствора после электролиза не хватает значений масс выделившихся меди и кислорода. Рассчитаем их количества вещества и массы:
ν(O2) = 0,2 моль (было рассчитано выше);
m(O2) = M(O2) · ν(O2) = 32 г/моль · 0,2 моль = 6,4 г;
ν(Cu) = 2ν(O2) = 2 · 0,2 моль = 0,4 моль;
m(Cu) = ν(Cu) · M(Cu) = 0,4 моль · 64 г/моль = 25,6 г.
Тогда, mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(Cu(NO3)2) − m(Cu) − m(O2) = 376 г − 6,4 − 25,6 г = 344 г.
Рассчитаем массу и количество вещества гидроксида натрия, содержащегося в прибавляемом растворе:
mисх.(NaOH) = mр-ра(NaOH) · w(NaOH)/100% = 224 г · 25% /100% = 56 г;
νисх.(NaOH) = mисх.(NaOH)/M(NaOH) = 56 г/40 г/моль = 1,4 моль.
Поскольку в условии задачи следует определить массовую долю гидроксида натрия в конечном растворе, то, по всей видимости, гидроксид натрия в избытке. Т.е. он будет реагировать как азотной кислотой, так и с нитратом меди, оставшимся после процесса электролиза. Запишем уравнения соответствующих реакций:
HNO3 + NaOH = NaNO3 + H2O (I)
Cu(NO3)2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaNO3 (II)
Рассчитаем количества вещества гидроксида натрия, которые пошли на реакции I и II:
νI(NaOH) = ν (HNO3) = 0,8 моль;
νII(NaOH) = 2νост.(Cu(NO3)2) = 2 · 0,2 моль = 0,4 моль.
Тогда количество вещества и масса гидроксида натрия, оставшегося в конечном растворе будут равны:
νост.(NaOH) = νисх.(NaOH) − νI(NaOH) − νII(NaOH) = 1,4 моль − 0,8 моль − 0,4 моль = 0,2 моль;
mост.(NaOH) = M(NaOH) · νост.(NaOH) = 40 г/моль · 0,2 моль = 8 г.
Рассчитаем массу конечного раствора:
mкон. р-ра = mр-ра после эл-за + mр-ра(NaOH) − m(Cu(OH)2).
Для расчета массы конечного раствора не хватает значения массы осадка гидроксида меди. Найдем его:
ν(Cu(OH)2) = νост.(Cu(NO3)2) = 0,2 моль;
m(Cu(OH)2) = ν(Cu(OH)2) · M(Cu(OH)2) = 0,2 моль · 98 г/моль = 19,6 г
Тогда, mкон. р-ра = mр-ра после эл-за + mр-ра(NaOH) − m(Cu(OH)2) = 344 г + 224 г − 19,6 г = 548,4 г
Теперь можно рассчитать массовую долю щелочи в конечном растворе:
wост.(NaOH) = 100% · mост.(NaOH)/mкон. р-ра = 100% · 8 г/548,4 г = 1,46 %.
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 340 г 20%-ного раствора нитрата серебра. После того как масса раствора уменьшилась на 23,2 г, процесс остановили. К образовавшемуся раствору добавили 175,5 г 20%-ного раствора хлорида натрия. Определите массовую долю хлорида натрия в полученном растворе.
В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения искомых физических величин).
Ответ: 5,05%
Решение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора нитрата серебра:
4AgNO3 + 2H2O = 4Ag↓ + 4HNO3 + O2↑
Рассчитаем массу и количество исходного нитрата серебра в растворе до электролиза:
mисх.(AgNO3) = mисх.р-ра(AgNO3) · ω(AgNO3)/100% = 340 г · 0,2 = 68 г;
νисх.(AgNO3) = mисх.(AgNO3)/M(AgNO3) = 68 г/170 г/моль = 0,4 моль.
Уменьшение массы раствора обусловлено образованием нерастворимых продуктов − серебра и кислорода. Т.е.:
m(O2) + m(Ag) = 23,2 г.
Пусть количество вещества кислорода будет x моль. Тогда:
ν(Ag) = 4ν(O2) = 4x моль.
Выразим массы кислорода и серебра через x:
m(O2) = M(O2) · ν(O2) = 32 г/моль · x моль = 32x г;
m(Ag) = M(Ag) · ν(Ag) = 108 г/моль · 4x моль = 432x г.
Тогда будет справедливым уравнение:
32x + 432x = 23,2;
464 x = 23,2;
x = 0,05.
Таким образом:
ν(O2) = 0,05 моль;
ν(Ag) = 4ν(O2) = 0,2 моль.
В соответствии с уравнением электролиза количество вещества прореагировавшего нитрата серебра будет равно количеству вещества выделившегося металлического серебра, т. е.:
νпрореаг.(AgNO3) = ν(Ag) = 0,2 моль.
В свою очередь количество вещества нитрата серебра, оставшегося в растворе после электролиза:
νост.(AgNO3) = νисх.(AgNO3) − νпрореаг.(AgNO3) = 0,4 моль − 0,2 моль = 0,2 моль.
Рассчитаем массу раствора, полученного после электролиза:
mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(AgNO3) − m(Ag) − m(O2) = 340 г − 23,2 г = 316,8 г.
Рассчитаем массу и количество вещества хлорида натрия в прибавляемом растворе:
mисх.(NaCl) = mр-ра(NaCl) · ω(NaCl)/100% = 175,5 г · 20%/100% = 35,1 г;
νисх.(NaCl) = mисх.(NaCl)/M(NaCl) = 35,1 г/58,5 г/моль = 0,6 моль.
В растворе после электролиза, кроме воды, будут содержаться два вещества − нитрат серебра и азотная кислота. Хлорид натрия будет реагировать только с нитратом серебра. Реакция протекает в соответствии с уравнением:
AgNO3 + NaCl = NaNO3 + AgCl↓
Рассчитаем количество вещества и массу осадка хлорида серебра, учитывая, что нитрат серебра находится в недостатке, т.е. расчеты нужно вести по нему:
ν(AgCl) = νост.(AgNO3) = 0,2 моль;
m(AgCl) = ν(AgCl) · M(AgCl) = 0,2 моль · 143,5 г/моль = 28,7 г.
Количество вещества хлорида натрия, которое вступило в реакцию с нитратом серебра, будет равно:
νпрореаг.(NaCl) = νост.(AgNO3) = 0,2 моль.
В свою очередь, количество вещества хлорида натрия, которое осталось после реакции с нитратом серебра, будет составлять:
νост.(NaCl) = νисх.(NaCl) − νпрореаг.(NaCl) = 0,6 моль − 0,2 моль = 0,4 моль,
а масса будет равна:
mост.(NaCl) = νост.(NaCl) · M(NaCl) = 0,4 моль · 58,5 г/моль = 23,4 г.
Рассчитаем массу конечного раствора:
mкон. р-ра = mр-ра после эл-за + mр-ра(NaCl) − m(AgCl) = 316,8 г + 175,5 г − 28,7 г = 463,6 г.
Тогда, массовая доля хлорида натрия в конечном растворе будет составлять:
ωконечн.(NaCl) = 100% · mост.(NaCl)/mкон. р-ра = 23,4 г/463,6 г · 100% = 5,05%.
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 270 г 20%-ного раствора хлорида меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. К образовавшемуся в процессе электролиза раствору добавили 120 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).
Ответ: 2,33 %
Решение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора хлорида меди (II):
CuCl2 = Cu↓ + Cl2↑
Рассчитаем массу и количество вещества хлорида меди в исходном растворе до электролиза:
m(CuCl2) = mисх.р-ра(CuCl2) · ω(CuCl2)/100% = 270 г · 20%/100% = 54 г;
νисх.(CuCl2) = mисх.(CuCl2)/M(CuCl2) = 54 г/135 г/моль = 0,4 моль.
Единственным газом, выделившимся в процессе электролиза, является хлор, следовательно, хлор − это тот газ, о котором идем речь в условии. Рассчитаем его количество вещества:
ν(Cl2) = V(Cl2)/Vm = 4,48 л/22,4 л/моль = 0,2 моль.
Исходя из уравнения реакции электролиза, можно записать, что:
ν(Cu) = ν(Cl2) = 0,2 моль.
Рассчитаем массы выделившихся хлора и металлической меди:
m(Cl2) = ν(Cl2) · M(Cl2) = 0,2 моль · 71 г/моль = 14,2 г;
m(Cu) = ν(Cu) · M(Cu) = 0,2 моль · 64 г/моль = 12,8 г.
Рассчитаем массу раствора после электролиза:
mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(CuCl2) − m(Cu) − m(Cl2) = 270 г − 14,2 г − 12,8 г = 243 г.
Исходя из уравнения реакции электролиза, можно записать, что количество вещества прореагировавшего хлорида меди будет равно:
νпрореаг.(CuCl2) = ν(Cu) = 0,2 моль.
Рассчитаем массу и количество вещества гидроксида натрия в прибавляемом растворе:
mисх.(NaOH) = mисх. р-ра(NaOH) · ω(NaOH)/100% = 120 г · 20%/100% = 24 г;
νисх.(NaOH) = mисх.(NaOH)/M(NaOH) = 24 г/40 г/моль = 0,6 моль.
Единственным растворенным веществом в растворе после электролиза является хлорид меди. Он и будет реагировать с водным раствором гидроксида натрия. Реакция протекает в соответствии с уравнением:
CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaCl.
Рассчитаем количество вещества гидроксида натрия, которое прореагировало с оставшимся после электролиза хлоридом меди:
νпрореаг.(NaOH) = 2ν(CuCl2) = 2 · 0,2 моль = 0,4 моль.
Тогда количество вещества гидроксида натрия, оставшегося в конечном растворе после реакции с хлоридом меди, и его масса, будут равны:
νост.(NaOH) = νисх.(NaOH) − νпрореаг.(NaOH) = 0,6 моль − 0,4 моль = 0,2 моль;
mост.(NaOH) = νост.(NaOH) · M(NaOH) = 0,2 моль · 40 г/моль = 8 г.
Рассчитаем количество вещества и массу осадка гидроксида меди:
ν(Cu(OH)2) = νост.(CuCl2) = 0,2 моль;
m(Cu(OH)2) = M(Cu(OH)2) · νост.(CuCl2) = 98 г/моль · 0,2 моль = 19,6 г.
Рассчитаем массу конечного раствора:
mкон. р-ра = mр-ра после эл-за + mисх. р-ра(NaOH) − m(Cu(OH)2) = 243 г + 120 г − 19,6 г = 343,4 г;
ωконечн.(NaOH) = 100% · mост.(NaOH)/mкон. р-ра = 100% · 8 г/343,4 г = 2,33 %.
Для проведения электролиза (на инертных электродах) взяли 360 г 15%-ного раствора хлорида меди(II). После того как на аноде выделилось 4,48 л (н.у.) газа, процесс остановили. Из полученного раствора отобрали порцию массой 66,6 г. Вычислите массу 10%-ного раствора гидроксида натрия, необходимого для полного осаждения ионов меди 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).
Ответ: 32 г
Решение:
Запишем уравнение электролиза водного раствора хлорида меди (II):
CuCl2 = Cu↓ + Cl2↑
Рассчитаем массу и количество вещества хлорида меди в исходном растворе до электролиза:
m(CuCl2) = mисх.р-ра(CuCl2) · ω(CuCl2)/100% = 360 г · 15%/100% = 54 г;
νисх.(CuCl2) = mисх.(CuCl2)/M(CuCl2) = 54 г/135 г/моль = 0,4 моль.
Единственным газом, выделившимся в процессе электролиза, является хлор, следовательно, хлор − это тот газ, о котором идем речь в условии. Рассчитаем его количество вещества:
ν(Cl2) = V(Cl2)/Vm = 4,48 л/22,4 л/моль = 0,2 моль
Исходя из уравнения реакции электролиза, можно записать, что:
ν(Cu) = ν(Cl2) = 0,2 моль.
Рассчитаем массы выделившихся хлора и металлической меди:
m(Cl2) = ν(Cl2) · M(Cl2) = 0,2 моль · 71 г/моль = 14,2 г;
m(Cu) = ν(Cu) · M(Cu) = 0,2 моль · 64 г/моль = 12,8 г.
Рассчитаем массу раствора после электролиза:
mр-ра после эл-за = mисх.р-ра(CuCl2) − m(Cu) − m(Cl2) = 360 г − 12,8 г − 14,2 г = 333 г.
Исходя из уравнения электролиза, можно сделать вывод о том, что количество вещества хлорида меди, вступившего в реакцию электролиза, равно количеству вещества образовавшейся металлической меди:
νпрореаг.(CuCl2) = ν(Cu) = 0,2 моль.
Тогда количество вещества хлорида меди будет равно:
νост.(CuCl2) = νисх.(CuCl2) − νпрореаг.(CuCl2) = 0,4 моль − 0,2 моль = 0,2 моль.
Из раствора, полученного в результате электролиза, отобрали порцию массой 66,6 г. Это составляет 66,6 г / 333 г = 1/5 часть от этого раствора.
Поскольку отобрали 1/5 часть раствора, следовательно, отобрали и 1/5 часть каждого компонента этого раствора. Следовательно:
νв порции(CuCl2) = νост.(CuCl2) · 1/5 = 0,2 моль · 1/5 = 0,04 моль
Хлорид меди реагирует с гидроксидом натрия в соответствии с уравнением:
CuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaCl
Исходя из этого уравнения реакции:
ν(NaOH) = 2ν(CuCl2) = 2 · 0,04 моль = 0,08 моль;
m(NaOH) = ν(NaOH) · M(NaOH) = 0,08 моль · 40 г/моль = 3,2 г.
Тогда:
mр-ра(NaOH) = 100% · m(NaOH)/ω(NaOH) = 100% · 3,2 г/10% = 32 г.
http://zadachi-po-khimii.ru/obshaya-himiya/zadachi-k-razdelu-elektroliz-solej.html
http://scienceforyou.ru/reshenie-realnyh-zadanij-egje-2016-goda/zadachi-2018-na-raschet-massovoj-doli-khimicheskogo-soedineniya-v-smesi