Номер 235, страница 326 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.235. Электролиз 200 г 7,50%-го раствора карбоната натрия проводили в течение некоторого времени при 0 °C с инертными электродами. В результате на катоде выделилось 5,488 л газа, а на аноде – 2,240 л газа (объёмы измерены при нормальных условиях). Полученный раствор содержал две соли и щёлочь. При действии серной кислоты на этот раствор выделяются углекислый газ и кислород. Определите формулы солей, напишите уравнения всех полуреакций на катоде и аноде и рассчитайте количества солей и щёлочи (в молях) в полученном растворе. Запишите уравнения реакций с серной кислотой.

Дано:

$m_{\text{раствора}}(Na_2CO_3) = 200$ г

$\omega(Na_2CO_3) = 7,50\% = 0,075$

$V_{\text{газа на катоде}} = 5,488$ л (н.у.)

$V_{\text{газа на аноде}} = 2,240$ л (н.у.)

Молярный объем газа при н.у. $V_m = 22,4$ л/моль

Найти:

1. Формулы солей в конечном растворе.

2. Уравнения полуреакций на катоде и аноде.

3. Количества (моль) солей и щёлочи в конечном растворе.

4. Уравнения реакций полученного раствора с серной кислотой.

Решение:

1. Найдем начальное количество карбоната натрия и воды в растворе:

$m(Na_2CO_3) = m_{\text{раствора}} \cdot \omega(Na_2CO_3) = 200 \text{ г} \cdot 0,075 = 15,0$ г.

$M(Na_2CO_3) = 2 \cdot 23 + 12 + 3 \cdot 16 = 106$ г/моль.

$n(Na_2CO_3)_{\text{исх}} = \frac{m(Na_2CO_3)}{M(Na_2CO_3)} = \frac{15,0 \text{ г}}{106 \text{ г/моль}} \approx 0,1415$ моль.

2. Проанализируем процессы, протекающие на электродах при электролизе водного раствора $Na_2CO_3$ с инертными электродами.

На катоде происходит восстановление воды, так как натрий – активный металл:

Катод (-): $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

Газ, выделившийся на катоде, – это водород ($H_2$). Найдем его количество:

$n(H_2) = \frac{V_{\text{газа на катоде}}}{V_m} = \frac{5,488 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,245$ моль.

Количество электронов, прошедшее через электролизер, равно:

$n(e^-) = 2 \cdot n(H_2) = 2 \cdot 0,245 \text{ моль} = 0,490$ моль.

На аноде происходит окисление. Возможны два процесса: окисление воды и окисление анионов соли. Найдем количество газа, выделившегося на аноде:

$n_{\text{газа на аноде}} = \frac{V_{\text{газа на аноде}}}{V_m} = \frac{2,240 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,100$ моль.

Если бы на аноде окислялась только вода ($2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$), то количество кислорода составило бы:

$n(O_2) = \frac{n(e^-)}{4} = \frac{0,490}{4} = 0,1225$ моль.

Полученное значение ($0,1225$ моль) не совпадает с экспериментальным ($0,100$ моль). Это означает, что на аноде протекает еще один процесс окисления, который не сопровождается выделением газа. Таким процессом является окисление карбонат-ионов до пероксодикарбонат-ионов:

Анод (+):

1) $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

2) $2CO_3^{2-} - 2e^- \rightarrow C_2O_6^{2-}$ (пероксодикарбонат-ион)

Газ на аноде – это кислород ($O_2$), $n(O_2) = 0,100$ моль. Количество электронов, затраченное на его образование:

$n_1(e^-) = 4 \cdot n(O_2) = 4 \cdot 0,100 \text{ моль} = 0,400$ моль.

Тогда количество электронов, затраченное на второй процесс:

$n_2(e^-) = n(e^-)_{\text{общ}} - n_1(e^-) = 0,490 - 0,400 = 0,090$ моль.

3. Определим состав конечного раствора.

В растворе образовались ионы $OH^-$ на катоде и ионы $H^+$ на аноде:

$n(OH^-)_{\text{обр}} = n(e^-) = 0,490$ моль (из $2H_2O + 2e^-$).

$n(H^+)_{\text{обр}} = n_1(e^-) = 0,400$ моль (из $2H_2O - 4e^-$).

Ионы $H^+$ и $OH^-$ реагируют друг с другом ($H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$). Так как $n(OH^-) > n(H^+)$, в растворе останется избыток щёлочи ($NaOH$):

$n(NaOH)_{\text{конеч}} = n(OH^-)_{\text{обр}} - n(H^+)_{\text{обр}} = 0,490 - 0,400 = 0,090$ моль.

Количество образовавшегося пероксодикарбоната натрия ($Na_2C_2O_6$):

$n(Na_2C_2O_6) = \frac{n_2(e^-)}{2} = \frac{0,090}{2} = 0,045$ моль.

Количество карбоната натрия, израсходованного на образование пероксодикарбоната:

$n(Na_2CO_3)_{\text{израсх}} = n_2(e^-) = 0,090$ моль.

Количество оставшегося карбоната натрия:

$n(Na_2CO_3)_{\text{ост}} = n(Na_2CO_3)_{\text{исх}} - n(Na_2CO_3)_{\text{израсх}} = 0,1415 - 0,090 = 0,0515$ моль.

Таким образом, конечный раствор содержит щёлочь ($NaOH$) и две соли ($Na_2C_2O_6$ и $Na_2CO_3$). Условие о том, что при действии серной кислоты выделяется углекислый газ и кислород, подтверждает наличие карбоната и пероксосоединения (которое в кислой среде разлагается с выделением $O_2$).

1. Определите формулы солей

В полученном растворе содержатся две соли: исходный карбонат натрия и образовавшийся в ходе электролиза пероксодикарбонат натрия.

Ответ: Формулы солей: $Na_2CO_3$ (карбонат натрия) и $Na_2C_2O_6$ (пероксодикарбонат натрия).

2. Напишите уравнения всех полуреакций на катоде и аноде

На электродах протекают следующие процессы:

На катоде: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

На аноде протекают две параллельные реакции:

$2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$

$2CO_3^{2-} - 2e^- \rightarrow C_2O_6^{2-}$

Ответ: Катод: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$. Анод: $2H_2O - 4e^- \rightarrow O_2 \uparrow + 4H^+$ и $2CO_3^{2-} - 2e^- \rightarrow C_2O_6^{2-}$.

3. Рассчитайте количества солей и щёлочи (в молях) в полученном растворе

На основании проведенных расчетов, количества веществ в конечном растворе равны:

Количество щёлочи (гидроксида натрия): $n(NaOH) = 0,090$ моль.

Количество пероксодикарбоната натрия: $n(Na_2C_2O_6) = 0,045$ моль.

Количество карбоната натрия: $n(Na_2CO_3) = 0,0515$ моль.

Ответ: В полученном растворе содержится $0,090$ моль $NaOH$, $0,045$ моль $Na_2C_2O_6$ и $0,0515$ моль $Na_2CO_3$.

4. Запишите уравнения реакций с серной кислотой

При добавлении серной кислоты к полученному раствору произойдут следующие реакции:

1. Нейтрализация щёлочи:

$2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

2. Реакция с карбонатом натрия с выделением углекислого газа:

$Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

3. Реакция с пероксодикарбонатом натрия. Это соединение в кислой среде разлагается с выделением углекислого газа и кислорода. Суммарное уравнение реакции:

$2Na_2C_2O_6 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2Na_2SO_4 + 4CO_2 \uparrow + O_2 \uparrow + 2H_2O$

Ответ:

$2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

$Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

$2Na_2C_2O_6 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2Na_2SO_4 + 4CO_2 \uparrow + O_2 \uparrow + 2H_2O$