Номер 66, страница 244 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

9.66. Через 480 г 20%-го раствора сульфата меди(II) пропускали электрический ток до тех пор, пока масса раствора не уменьшилась на 52 г. К образовавшемуся раствору добавили 520 г 32%-го раствора хлорида бария. Определите массовую долю воды в полученном растворе и массу газа, выделившегося на аноде.

Дано:
Масса исходного раствора сульфата меди(II) ($m_{р-ра}(CuSO_4)$) = 480 г
Массовая доля $CuSO_4$ ($\omega(CuSO_4)$) = 20% = 0,2
Уменьшение массы раствора при электролизе ($\Delta m_{эл}$) = 52 г
Масса раствора хлорида бария ($m_{р-ра}(BaCl_2)$) = 520 г
Массовая доля $BaCl_2$ ($\omega(BaCl_2)$) = 32% = 0,32

Найти:
$m_{газа(анод)}$ - ?
$\omega(H_2O)_{кон}$ - ?

Решение:

1. Определим массу и количество вещества сульфата меди(II) в исходном растворе. Молярная масса $M(CuSO_4) = 160$ г/моль.$m(CuSO_4) = m_{р-ра}(CuSO_4) \cdot \omega(CuSO_4) = 480 \text{ г} \cdot 0.2 = 96 \text{ г}$.$n(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{M(CuSO_4)} = \frac{96 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0.6 \text{ моль}$.

2. При электролизе водного раствора сульфата меди(II) масса раствора уменьшается за счет выделения меди на катоде и кислорода на аноде. Уравнение реакции:$2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2Cu \downarrow + O_2 \uparrow + 2H_2SO_4$.

3. Проверим, какой будет убыль массы, если весь сульфат меди подвергнется электролизу. Из $0.6 \text{ моль} \: CuSO_4$ образуется $0.6 \text{ моль} \: Cu$ и $0.3 \text{ моль} \: O_2$.$\Delta m_1 = m(Cu) + m(O_2) = (0.6 \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль}) + (0.3 \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль}) = 38.4 \text{ г} + 9.6 \text{ г} = 48 \text{ г}$.

4. Общее уменьшение массы по условию составляет $52 \text{ г}$. Так как $52 \text{ г} > 48 \text{ г}$, то после полного разложения $CuSO_4$ начался электролиз воды. Убыль массы за счет электролиза воды:$\Delta m_2 = 52 \text{ г} - 48 \text{ г} = 4 \text{ г}$.Уравнение электролиза воды: $2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$.Пусть при электролизе воды выделилось $x \text{ моль} \: O_2$, тогда водорода выделилось $2x \text{ моль}$.$\Delta m_2 = m(H_2) + m(O_2) = (2x \cdot 2 \text{ г/моль}) + (x \cdot 32 \text{ г/моль}) = 36x$.$36x = 4 \text{ г} \implies x = \frac{4}{36} = \frac{1}{9} \text{ моль}$.

5. На аноде в обеих стадиях электролиза выделяется кислород. Найдем его общую массу.$n(O_2)_{общ} = n(O_2)_{из \: CuSO_4} + n(O_2)_{из \: H_2O} = 0.3 \text{ моль} + \frac{1}{9} \text{ моль} = \frac{3}{10} + \frac{1}{9} = \frac{27+10}{90} = \frac{37}{90} \text{ моль}$.$m_{газа(анод)} = m(O_2)_{общ} = n(O_2)_{общ} \cdot M(O_2) = \frac{37}{90} \text{ моль} \cdot 32 \text{ г/моль} \approx 13.16 \text{ г}$.
Ответ: 13,16 г.

Решение:

1. Определим массу и состав раствора после электролиза.Масса раствора: $m_{р-ра\_после\_эл} = m_{р-ра}(CuSO_4) - \Delta m_{эл} = 480 \text{ г} - 52 \text{ г} = 428 \text{ г}$.В растворе образовалась серная кислота: $n(H_2SO_4) = n(CuSO_4) = 0.6 \text{ моль}$.$m(H_2SO_4) = 0.6 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 58.8 \text{ г}$.

2. Найдем массу воды, оставшейся после электролиза. Исходная масса воды: $m(H_2O)_{исх} = 480 \text{ г} - 96 \text{ г} = 384 \text{ г}$.Вода расходовалась на электролиз $CuSO_4$ ($n_1 = 0.6 \text{ моль}$) и на собственный электролиз ($n_2 = 2 \cdot n(O_2)_{из \: H_2O} = 2 \cdot \frac{1}{9} = \frac{2}{9} \text{ моль}$).$m(H_2O)_{расх} = (0.6 + \frac{2}{9}) \text{ моль} \cdot 18 \text{ г/моль} = 10.8 \text{ г} + 4 \text{ г} = 14.8 \text{ г}$.Масса воды после электролиза: $m(H_2O)_{после\_эл} = 384 \text{ г} - 14.8 \text{ г} = 369.2 \text{ г}$.

3. К полученному раствору добавляют $520 \text{ г}$ $32\%$-го раствора $BaCl_2$.$m(BaCl_2) = 520 \text{ г} \cdot 0.32 = 166.4 \text{ г} \implies n(BaCl_2) = \frac{166.4 \text{ г}}{208 \text{ г/моль}} = 0.8 \text{ моль}$.Масса воды в этом растворе: $m(H_2O)_{в \: р-ре \: BaCl_2} = 520 \text{ г} - 166.4 \text{ г} = 353.6 \text{ г}$.

4. Протекает реакция обмена с образованием осадка сульфата бария:$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$.В реакцию вступает $0.6 \text{ моль} \: H_2SO_4$ (недостаток) и $0.6 \text{ моль} \: BaCl_2$, образуется $0.6 \text{ моль}$ осадка $BaSO_4$.$m(BaSO_4) = 0.6 \text{ моль} \cdot 233 \text{ г/моль} = 139.8 \text{ г}$.

5. Рассчитаем параметры конечного раствора.Масса конечного раствора: $m_{кон} = m_{р-ра\_после\_эл} + m_{р-ра}(BaCl_2) - m(BaSO_4) = 428 \text{ г} + 520 \text{ г} - 139.8 \text{ г} = 808.2 \text{ г}$.Общая масса воды в конечном растворе: $m(H_2O)_{кон} = m(H_2O)_{после\_эл} + m(H_2O)_{в \: р-ре \: BaCl_2} = 369.2 \text{ г} + 353.6 \text{ г} = 722.8 \text{ г}$.Массовая доля воды: $\omega(H_2O)_{кон} = \frac{m(H_2O)_{кон}}{m_{кон}} = \frac{722.8 \text{ г}}{808.2 \text{ г}} \approx 0.89433$.
Ответ: 89,43%.