Номер 213, страница 324 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.213. При электролизе 285 г раствора вещества X газ выделялся только на аноде. За время электролиза масса раствора уменьшилась на 40 г. Из предложенного списка выберите вещество X, запишите уравнения полуреакций на катоде и аноде, а также суммарное уравнение электролиза. Рассчитайте массовую долю продукта электролиза в полученном растворе. Список веществ: ${\mathrm{HNO}}_3,$ ${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{SO}}_4,$ ${\mathrm{CaCl}}_2,$ ${\mathrm{CuSO}}_4,$ КОН, AgCl.

1. Выберите вещество Х

По условию задачи, при электролизе водного раствора вещества X газ выделялся только на аноде. Это означает, что на катоде должен выделяться твердый металл, а не газообразный водород. Проанализируем вещества из предложенного списка:

- Электролиз водных растворов $HNO_3$, $Na_2SO_4$, $CaCl_2$, $KOH$ будет сопровождаться выделением водорода ($H_2$) на катоде, так как катионы $H^+$, $Na^+$, $Ca^{2+}$, $K^+$ либо соответствуют активным металлам, либо это сам ион водорода. Этот вариант противоречит условию.

- Хлорид серебра ($AgCl$) — практически нерастворимое в воде вещество, поэтому электролиз его водного раствора в данных условиях невозможен.

- При электролизе водного раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$) на катоде происходит восстановление ионов меди, так как медь — малоактивный металл: $Cu^{2+} + 2e^− → Cu$. На аноде, так как анион $SO_4^{2−}$ является кислородсодержащим, происходит окисление воды с выделением кислорода: $2H_2O - 4e^− → O_2↑ + 4H^+$.

Таким образом, единственное вещество, удовлетворяющее условию, — это сульфат меди(II).

Ответ: Вещество X — $CuSO_4$.

2. Запишите уравнения полуреакций на катоде и аноде, а также суммарное уравнение электролиза

Процессы, протекающие на электродах:

Катод (-): $Cu^{2+} + 2e^− → Cu$

Анод (+): $2H_2O - 4e^− → O_2↑ + 4H^+$

Суммарное молекулярное уравнение электролиза водного раствора сульфата меди(II):

$2CuSO_4 + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2Cu↓ + O_2↑ + 2H_2SO_4$

Ответ:
Катод: $Cu^{2+} + 2e^− → Cu$
Анод: $2H_2O - 4e^− → O_2↑ + 4H^+$
Суммарное уравнение: $2CuSO_4 + 2H_2O → 2Cu↓ + O_2↑ + 2H_2SO_4$

3. Рассчитайте массовую долю продукта электролиза в полученном растворе

Дано:
$m_{раствора\ (исх.)} = 285 \ г$
$\Delta m_{раствора} = 40 \ г$

Найти:
$\omega(H_2SO_4)\ в\ конечном\ растворе$

Решение:

Уменьшение массы раствора ($\Delta m_{раствора}$) равно сумме масс продуктов, покинувших раствор, — твердой меди ($m(Cu)$) и газообразного кислорода ($m(O_2)$).

$\Delta m_{раствора} = m(Cu) + m(O_2) = 40 \ г$.

Согласно суммарному уравнению реакции $2CuSO_4 + 2H_2O → 2Cu + O_2 + 2H_2SO_4$, мольное соотношение выделившихся меди и кислорода $n(Cu) : n(O_2) = 2 : 1$.

Пусть количество вещества кислорода $n(O_2) = x \ моль$, тогда количество вещества меди $n(Cu) = 2x \ моль$.

Выразим массы через $x$, используя молярные массы $M(Cu) = 64 \ г/моль$ и $M(O_2) = 32 \ г/моль$:

$m(Cu) = 2x \cdot 64 = 128x \ г$
$m(O_2) = x \cdot 32 = 32x \ г$

Подставим массы в уравнение и решим его:

$128x + 32x = 40$
$160x = 40$
$x = \frac{40}{160} = 0.25 \ моль$

Таким образом, $n(O_2) = 0.25 \ моль$.

Продуктом электролиза, который остался в растворе, является серная кислота $H_2SO_4$. Найдем ее количество. По уравнению реакции $n(H_2SO_4) = 2 \cdot n(O_2)$.

$n(H_2SO_4) = 2 \cdot 0.25 = 0.5 \ моль$.

Найдем массу серной кислоты, $M(H_2SO_4) = 98 \ г/моль$:

$m(H_2SO_4) = n(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4) = 0.5 \ моль \cdot 98 \ г/моль = 49 \ г$.

Масса конечного раствора равна массе исходного за вычетом массы ушедших продуктов:

$m_{раствора\ (конечн.)} = m_{раствора\ (исх.)} - \Delta m_{раствора} = 285 \ г - 40 \ г = 245 \ г$.

Рассчитаем массовую долю серной кислоты в полученном растворе:

$\omega(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{m_{раствора\ (конечн.)}} = \frac{49 \ г}{245 \ г} = 0.2$.

Ответ: Массовая доля продукта электролиза (серной кислоты) в полученном растворе составляет 0.2 или 20%.