Решение задачи по химии: Электролиз нитрата меди(II)

Решим задачу по химии. Дано: Масса раствора нитрата меди(II) = 500 г Масса меди, выделившейся на катоде = 6,4 г Атомная масса меди (Cu) = 64 Найти: 1. Объем газа (н.у.), который выделился на аноде. 2. Процентная концентрация исходного раствора нитрата меди(II). 3. Реакция электролиза и продукты реакции в порядке уменьшения молярных масс. Решение: 1. Запишем реакцию электролиза нитрата меди(II) \(\text{Cu(NO}_3)_2\). Поскольку в растворе присутствует вода, и нитрат-ион \(\text{NO}_3^-\) является кислородсодержащим анионом, на аноде будет окисляться вода. На катоде будет восстанавливаться ион меди \(\text{Cu}^{2+}\), так как медь находится после водорода в ряду активности металлов. Катод (восстановление): \(\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu}\) Анод (окисление): \(\text{2H}_2\text{O} - 4e^- \rightarrow \text{O}_2 \uparrow + 4\text{H}^+\) Суммарное уравнение реакции электролиза: \(\text{2Cu(NO}_3)_2 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{эл. ток}} 2\text{Cu} + \text{O}_2 \uparrow + 4\text{HNO}_3\) 2. Найдем количество вещества меди, выделившейся на катоде. Молярная масса меди \(\text{M(Cu)} = 64 \text{ г/моль}\). Количество вещества меди: \[\text{n(Cu)} = \frac{\text{m(Cu)}}{\text{M(Cu)}} = \frac{6,4 \text{ г}}{64 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}\] 3. Используя стехиометрию реакции, найдем количество вещества кислорода, выделившегося на аноде. Из уравнения реакции видно, что на 2 моль меди приходится 1 моль кислорода. Значит, количество вещества кислорода: \[\text{n(O}_2) = \frac{1}{2} \cdot \text{n(Cu)} = \frac{1}{2} \cdot 0,1 \text{ моль} = 0,05 \text{ моль}\] 4. Рассчитаем объем кислорода (газа), выделившегося на аноде при нормальных условиях (н.у.). Молярный объем газа при н.у. \(\text{V}_m = 22,4 \text{ л/моль}\). Объем кислорода: \[\text{V(O}_2) = \text{n(O}_2) \cdot \text{V}_m = 0,05 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} = 1,12 \text{ л}\] 5. Найдем количество вещества нитрата меди(II), вступившего в реакцию. Из уравнения реакции видно, что на 2 моль меди приходится 2 моль нитрата меди(II). Значит, количество вещества \(\text{Cu(NO}_3)_2\): \[\text{n(Cu(NO}_3)_2) = \text{n(Cu)} = 0,1 \text{ моль}\] 6. Рассчитаем массу нитрата меди(II) в исходном растворе. Молярная масса \(\text{Cu(NO}_3)_2\): \(\text{M(Cu(NO}_3)_2) = \text{M(Cu)} + 2 \cdot (\text{M(N)} + 3 \cdot \text{M(O)})\) \(\text{M(Cu(NO}_3)_2) = 64 + 2 \cdot (14 + 3 \cdot 16) = 64 + 2 \cdot (14 + 48) = 64 + 2 \cdot 62 = 64 + 124 = 188 \text{ г/моль}\) Масса нитрата меди(II): \[\text{m(Cu(NO}_3)_2) = \text{n(Cu(NO}_3)_2) \cdot \text{M(Cu(NO}_3)_2) = 0,1 \text{ моль} \cdot 188 \text{ г/моль} = 18,8 \text{ г}\] 7. Рассчитаем процентную концентрацию исходного раствора нитрата меди(II). Масса раствора = 500 г. Массовая доля \(\omega\): \[\omega(\text{Cu(NO}_3)_2) = \frac{\text{m(Cu(NO}_3)_2)}{\text{m(раствора)}} \cdot 100\% = \frac{18,8 \text{ г}}{500 \text{ г}} \cdot 100\% = 0,0376 \cdot 100\% = 3,76\%\] 8. Запишем реакцию электролиза и продукты реакции в порядке уменьшения молярных масс. Реакция электролиза: \(\text{2Cu(NO}_3)_2 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{эл. ток}} 2\text{Cu} + \text{O}_2 \uparrow + 4\text{HNO}_3\) Продукты реакции: Медь (\(\text{Cu}\)) Кислород (\(\text{O}_2\)) Азотная кислота (\(\text{HNO}_3\)) Молярные массы продуктов: \(\text{M(Cu)} = 64 \text{ г/моль}\) \(\text{M(O}_2) = 2 \cdot 16 = 32 \text{ г/моль}\) \(\text{M(HNO}_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 1 + 14 + 48 = 63 \text{ г/моль}\) Продукты в порядке уменьшения молярных масс: 1. \(\text{Cu}\) (64 г/моль) 2. \(\text{HNO}_3\) (63 г/моль) 3. \(\text{O}_2\) (32 г/моль) Ответы: 1. Объем газа (кислорода), выделившегося на аноде: 1,12 л. 2. Процентная концентрация исходного раствора нитрата меди(II): 3,76%. 3. Реакция электролиза: \(\text{2Cu(NO}_3)_2 + 2\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{эл. ток}} 2\text{Cu} + \text{O}_2 \uparrow + 4\text{HNO}_3\) Продукты реакции в порядке уменьшения молярных масс: \(\text{Cu}\), \(\text{HNO}_3\), \(\text{O}_2\).