30. Полному электролизу подвергли 200 г 16%-ного раствора сульфата меди (II), при этом

Химия
1
  1. Полному электролизу подвергли 200 г 16%-ного раствора сульфата меди (II), при этом

A. на катоде выделилось 0,64 г меди
B. на аноде выделилось 0,224 л кислорода
C. на катоде выделилось 6,4 г меди
D. на катоде выделилось 1,28 г меди
E. на катоде выделилось 12,8 г меди
F. на аноде выделилось 22,4 л кислорода
G. на аноде выделилось 2,24 л кислорода
H. на аноде выделилось 224 л кислорода

2

Задача сводится к определению, сколько меди осадится на катоде, и сколько кислорода выделится на аноде при полном электролизе раствора сульфата меди (II) массой 200 г при концентрации 16%. То есть из всего раствора осаждается весь содержащийся в нём купрум, а на аноде за счёт реакции с водой выделяется кислород.

Рассмотрим подробно варианты:

Варианты, связанные с количеством меди на катоде:

  1. При 16%-ном растворе из 200 г количество сульфата меди (II) равно 0,16·200 = 32 г. Если принять, что раствор содержит безводный сульфат меди (CuSO₄) (молярная масса ≈ 159,6 г/моль), то число молей CuSO₄ равно 32/159,6 ≈ 0,20 моль. Поскольку реакция восстановления идет по схеме
    Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu,
    все 0,20 моль ионов меди восстанавливаются в соответствующее количество меди. Масса осажденной меди определяется умножением числа молей на атомную массу меди (примерно 63,55 г/моль), то есть:
    m(Cu) = 0,20 моль × 63,55 г/моль ≈ 12,7 г.
    Округляя до удобного значения, получаем около 12,8 г. Таким образом, вариант E (“на катоде выделилось 12,8 г меди”) оказывается верным.

Набор вариантов A (0,64 г), C (6,4 г) и D (1,28 г) не соответствует вычисленным значениям – они слишком малы.

Варианты, связанные с количеством кислорода на аноде:
2. На аноде происходит процесс окисления воды. Схематически реакция:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻.
При восстановлении каждого иона меди в реакции на катоде задействовано 2 электрона, таким образом, для 0,20 моль Cu потребуется 0,40 моль электронов. Но на аноде для получения 1 моль кислорода необходимо передать 4 моль электронов, следовательно, число молей кислорода, выделившегося на аноде, будет равно
n(O₂) = (0,40 моль e⁻) / 4 = 0,10 моль.
При нормальных условиях объем 1 моля газа составляет 22,4 л, поэтому
V(O₂) = 0,10 моль × 22,4 л/моль ≈ 2,24 л.
Таким образом, корректным оказывается вариант G (“на аноде выделилось 2,24 л кислорода”).

Остальные варианты по кислороду (B – 0,224 л, F – 22,4 л, H – 224 л) не соответствуют расчетам.

Для полного понимания ступеней:

  • Определение количества вещества в растворе по процентной концентрации.
  • Расчет числа молей вещества с использованием молярной массы.
  • Применение стехиометрии электролиза: соотношение между количеством восстановленных/окисленных молей и соответствующих масс или объемов газов.
  • Применение условия нормальных условий (22,4 л на моль газа) для расчета объёма выделившегося кислорода.

Итак, при полном электролизе 200 г 16%-ного раствора сульфата меди (II) на катоде выделится около 12,8 г меди (вариант E), а на аноде – около 2,24 л кислорода (вариант G).