Номер 211, страница 323 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.211. Через 300 г разбавленного раствора азотной кислоты пропускали постоянный ток силой 9 А. Чему станет равна масса раствора через 6 ч?

Дано:

$m_{раствора, нач} = 300 \text{ г} = 0,3 \text{ кг}$
$I = 9 \text{ А}$
$t = 6 \text{ ч} = 6 \cdot 3600 \text{ с} = 21600 \text{ с}$

Найти:

$m_{раствора, кон}$ — конечная масса раствора.

Решение:

При пропускании постоянного электрического тока через разбавленный водный раствор азотной кислоты ($HNO_3$) происходит электролиз воды. Азотная кислота сама не подвергается электролизу, а служит электролитом, обеспечивая проводимость раствора.

Процесс электролиза воды можно описать следующими уравнениями на электродах:

• На катоде (отрицательный электрод) восстанавливается водород: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$
• На аноде (положительный электрод) окисляется кислород: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

Суммарное уравнение реакции электролиза воды:

$2H_2O \rightarrow 2H_2 \uparrow + O_2 \uparrow$

Из уравнения видно, что в ходе реакции расходуется вода, а образующиеся газы (водород и кислород) покидают раствор. Это приводит к уменьшению общей массы раствора. Уменьшение массы раствора равно массе разложившейся воды.

Массу вещества, выделившегося при электролизе, можно рассчитать по объединенному закону Фарадея:

$m = \frac{M \cdot I \cdot t}{z \cdot F}$

где:

• $m$ — масса разложившейся воды ($m_{H_2O}$),
• $M$ — молярная масса воды ($M_{H_2O} \approx 18 \text{ г/моль}$),
• $I$ — сила тока,
• $t$ — время электролиза,
• $F$ — постоянная Фарадея ($F \approx 96500 \text{ Кл/моль}$),
• $z$ — число электронов, участвующих в процессе для одной молекулы вещества. Для разложения одной молекулы воды ($H_2O$) требуется 2 электрона (эквивалентное число), поэтому $z=2$.

Подставим известные значения в формулу для расчета массы разложившейся воды:

$m_{H_2O} = \frac{18 \text{ г/моль} \cdot 9 \text{ А} \cdot 21600 \text{ с}}{2 \cdot 96500 \text{ Кл/моль}} = \frac{3499200}{193000} \text{ г} \approx 18,13 \text{ г}$

Теперь найдем конечную массу раствора, вычтя из начальной массы массу разложившейся воды:

$m_{раствора, кон} = m_{раствора, нач} - m_{H_2O}$

$m_{раствора, кон} = 300 \text{ г} - 18,13 \text{ г} = 281,87 \text{ г}$

Ответ: масса раствора через 6 часов станет равна 281,87 г.