Дано:
- Масса водного раствора сульфата меди(II) CuSO4 = 150 г.
- Массовая доля соли в растворе = 23%, то есть масса сульфата меди (CuSO4) в растворе:
m(CuSO4) = 150 г × 0,23 = 34,5 г.
- Масса раствора после электролиза = 150 г - 16,5 г = 133,5 г.
Найти:
- Количества веществ, выделившихся на инертных электродах.
- Массовые доли всех веществ в растворе после электролиза.
Решение:
1. Определим количество вещества сульфата меди в исходном растворе:
Молекулярная масса CuSO4 = 63,5 (Cu) + 32 (S) + 4 × 16 (O) = 160 г/моль.
Количество вещества CuSO4 в растворе:
ν(CuSO4) = 34,5 г / 160 г/моль = 0,216 моль.
2. Запишем уравнение реакции электролиза:
2CuSO4 + 2H2O ⎯→ 2Cu + 2H2SO4 + O2.
Из уравнения видно, что из 2 моль CuSO4 выделяется 2 моль меди (Cu) и 1 моль кислорода (O2).
3. Рассчитаем, сколько вещества выделилось:
Обозначим количество вещества кислорода за х (моль). Тогда количество меди будет равно 2х (моль), потому что на 2 моль CuSO4 выделяется 2 моль меди.
Суммарная масса меди и кислорода составляет 16,5 г (масса, на которую уменьшился раствор).
Масса кислорода: m(O2) = 32х (г),
масса меди: m(Cu) = 128х (г).
Составим уравнение для массы:
32х + 128х = 16,5 г,
160х = 16,5 г,
х = 16,5 г / 160 = 0,103 моль.
Таким образом, количество вещества кислорода, выделившегося на аноде, равно х = 0,103 моль, а меди – 2х = 0,206 моль.
4. Определим количество сульфата меди, оставшегося в растворе:
Из исходного количества вещества сульфата меди 0,216 моль, на катоде в процессе электролиза израсходуется 0,206 моль (поскольку на каждый моль CuSO4 выделяется 1 моль меди).
Количество оставшегося CuSO4:
ν(CuSO4) = 0,216 моль - 0,103 моль × 2 = 0,01 моль.
5. Рассчитаем массу оставшегося сульфата меди:
m(CuSO4) = 0,01 моль × 160 г/моль = 1,6 г.
6. Масса серной кислоты, образовавшейся на катоде:
На 2 моль CuSO4 образуется 2 моль H2SO4. Следовательно, масса серной кислоты:
m(H2SO4) = 0,206 моль × 98 г/моль = 20,2 г.
7. Общая масса раствора после электролиза:
Масса раствора после электролиза: m(раствора) = 150 г - 16,5 г = 133,5 г.
8. Массовые доли веществ в растворе после электролиза:
Массовая доля CuSO4 в растворе:
ω(CuSO4) = (1,6 г / 133,5 г) × 100% = 1,2%.
Массовая доля H2SO4 в растворе:
ω(H2SO4) = (20,2 г / 133,5 г) × 100% = 15,13%.
Ответ:
- Количество вещества кислорода: 0,103 моль.
- Количество вещества меди: 0,206 моль.
- Масса оставшегося CuSO4: 1,6 г.
- Масса образовавшейся H2SO4: 20,2 г.
- Массовая доля CuSO4 в растворе: 1,2%.
- Массовая доля H2SO4 в растворе: 15,13%.