Номер 203, страница 323 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.203. Как при электролизе раствора серной кислоты изменяется: а) масса кислоты; б) масса раствора; в) массовая доля кислоты? Объясните и приведите уравнения электродных процессов.

Решение

При электролизе водного раствора серной кислоты в растворе присутствуют следующие ионы и молекулы: катионы водорода $H^+$, сульфат-анионы $SO_4^{2-}$ и молекулы воды $H_2O$. Серная кислота как сильная кислота в водном растворе полностью диссоциирует на ионы: $H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$.

Рассмотрим процессы, протекающие на электродах.

На катоде (отрицательный электрод) происходит процесс восстановления. К катоду движутся положительно заряженные ионы – катионы водорода $H^+$. Они принимают электроны и восстанавливаются до газообразного водорода:
Катод (-): $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$

На аноде (положительный электрод) происходит процесс окисления. К аноду движутся отрицательно заряженные ионы (сульфат-анионы $SO_4^{2-}$) и полярные молекулы воды $H_2O$. В ряду активности анионов кислородсодержащих кислот ($SO_4^{2-}$, $NO_3^-$, $PO_4^{3-}$ и др.) ионы не окисляются, вместо них окисляются молекулы воды. Поэтому на аноде будет происходить окисление воды с выделением кислорода и образованием ионов водорода:
Анод (+): $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Чтобы получить суммарное уравнение реакции электролиза, необходимо уравнять число отданных и принятых электронов. Умножим уравнение катодного процесса на 2 и сложим с уравнением анодного процесса:
$2 \times (2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow)$
$2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$
Получаем:
$4H^+ + 4e^- + 2H_2O - 4e^- \rightarrow 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow + 4H^+$
Сократив ионы водорода $H^+$ и электроны $e^-$ в левой и правой частях уравнения, получаем итоговое суммарное уравнение процесса:
$2H_2O \xrightarrow{\text{электролиз}} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Из суммарного уравнения видно, что в ходе электролиза раствора серной кислоты фактически происходит разложение воды. Сама серная кислота не расходуется, а лишь участвует в переносе заряда (является электролитом), и ее количество в растворе остается неизменным.

а) масса кислоты

Поскольку серная кислота не вступает в итоговую химическую реакцию и не расходуется, ее масса в растворе остается постоянной.
Ответ: масса кислоты не изменяется.

б) масса раствора

В процессе электролиза вода разлагается с образованием газообразных продуктов – водорода и кислорода, которые улетучиваются из раствора. Это приводит к уменьшению массы растворителя (воды), а следовательно, и к уменьшению общей массы раствора.
Ответ: масса раствора уменьшается.

в) массовая доля кислоты

Массовая доля вещества в растворе ($\omega$) определяется по формуле $\omega = \frac{m_{вещества}}{m_{раствора}}$. В нашем случае это $\omega(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{m_{раствора}}$.
Как мы выяснили, масса серной кислоты $m(H_2SO_4)$ (числитель) не изменяется, а масса раствора $m_{раствора}$ (знаменатель) уменьшается. Когда числитель дроби остается постоянным, а знаменатель уменьшается, значение самой дроби увеличивается.
Ответ: массовая доля кислоты увеличивается.