Номер 208, страница 323 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.208. При электролизе водного раствора азотной кислоты на катоде выделилось 15 л газа. Сколько литров газа выделилось на аноде? Объёмы газов измерены при одинаковых условиях.

Дано:

Электролиз водного раствора азотной кислоты ($HNO_3$)
Объем газа на катоде: $V_{катод} = 15$ л

Найти:

Объем газа на аноде: $V_{анод} - ?$

Решение:

При электролизе водного раствора азотной кислоты ($HNO_3$) в растворе присутствуют ионы $H^+$, $NO_3^-$ и молекулы воды $H_2O$. Азотная кислота является сильной кислотой и в водном растворе полностью диссоциирует на ионы:

$HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

Рассмотрим процессы, происходящие на электродах.

1. На катоде (отрицательный электрод) происходит процесс восстановления. В растворе присутствуют катионы водорода $H^+$ и молекулы воды $H_2O$. Так как водород в электрохимическом ряду напряжений стоит до воды, а также из-за высокой концентрации ионов $H^+$ в кислой среде, на катоде преимущественно восстанавливаются ионы водорода:

Катод (-): $2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow$

Таким образом, на катоде выделяется газообразный водород ($H_2$). По условию задачи, объем этого газа составляет 15 л.

$V(H_2) = 15$ л

2. На аноде (положительный электрод) происходит процесс окисления. В растворе конкурируют нитрат-ионы $NO_3^-$ и молекулы воды $H_2O$. Анион $NO_3^-$ является кислородсодержащим, и атом азота в нем находится в своей высшей степени окисления (+5), поэтому он не окисляется в водном растворе. Вместо него окисляются молекулы воды:

Анод (+): $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Следовательно, на аноде выделяется газообразный кислород ($O_2$).

3. Суммарное уравнение реакции и расчет объемов. Чтобы получить общее уравнение реакции электролиза, необходимо уравнять количество электронов, принятых на катоде и отданных на аноде. Наименьшее общее кратное для 2 и 4 равно 4. Поэтому мы умножаем уравнение для катодного процесса на 2:

Катод: $4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2 \uparrow$
Анод: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Складывая два полууравнения и сокращая одинаковые частицы ($4H^+$ и $4e^-$) с обеих сторон, мы получаем суммарное уравнение. Фактически, это уравнение электролиза воды, где азотная кислота выступает в роли электролита, обеспечивающего проводимость, но сама в итоге не расходуется.

$2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Из этого уравнения видно, что молярное соотношение выделившихся газов (водорода и кислорода) составляет $n(H_2) : n(O_2) = 2 : 1$.

Согласно закону Авогадро, при одинаковых условиях (температуре и давлении), объемы газов относятся так же, как их количества вещества (моли).

$\frac{V(H_2)}{V(O_2)} = \frac{n(H_2)}{n(O_2)} = \frac{2}{1}$

Отсюда мы можем найти объем кислорода, выделившегося на аноде ($V_{анод} = V(O_2)$):

$V(O_2) = \frac{V(H_2)}{2}$

Подставляем известное значение объема водорода:

$V(O_2) = \frac{15 \text{ л}}{2} = 7,5 \text{ л}$

Таким образом, на аноде выделилось 7,5 л газа.

Ответ: 7,5 л.