Вопрос школьника
При электролизе 2 л водного раствора сульфата натрия с массовой долей соли 4% (ρ = 1,025 г/мл) на нерастворимом аноде выделилось 448 л газа (н.у.) Определите массовую долю сульфата натрия в растворе после электролиза.
Ответ от учителя
Для решения задачи необходимо использовать закон Фарадея, который гласит, что количество вещества, выделившегося на электроде, пропорционально количеству электричества, прошедшего через раствор.
Из условия задачи известно, что при электролизе выделилось 448 л газа (н.у.), что соответствует 16 моль газа (при н.у. 1 моль газа занимает 22,4 л). Также известно, что объем раствора равен 2 л, а массовая доля сульфата натрия в растворе до электролиза составляет 4%.
Для определения массовой доли сульфата натрия в растворе после электролиза необходимо рассчитать количество электричества, прошедшего через раствор. Для этого воспользуемся формулой:
Q = I * t,
где Q — количество электричества, I — сила тока, t — время электролиза.
Так как известен объем раствора и его плотность, то можно рассчитать массу раствора:
m = V * ρ = 2 л * 1,025 г/мл = 2,05 кг.
Также известно, что массовая доля сульфата натрия в растворе до электролиза составляет 4%, что соответствует массе соли:
m(Na2SO4) = 0,04 * m = 0,082 кг.
Рассчитаем количество электричества, прошедшего через раствор:
Q = I * t = n * F,
где n — количество моль электронов, F — постоянная Фарадея (96485 Кл/моль).
Так как на аноде происходит окисление ионов гидроксида, то можно записать уравнение реакции:
4OH- → O2 + 2H2O + 4e-.
Таким образом, на каждый моль гидроксид-иона выделяется 1 моль кислорода. Из условия задачи известно, что выделилось 16 моль газа, что соответствует 4 моль кислорода. Следовательно, количество моль электронов, прошедших через раствор, равно 4 моль.
Рассчитаем массу натрия, которая выделилась на катоде:
m(Na) = n(Na+) * M(Na) = 2 моль * 23 г/моль = 46 г.
Так как на катоде происходит восстановление ионов натрия, то количество моль электронов, прошедших через раствор, равно 2 моль.
Теперь можно рассчитать массовую долю сульфата натрия в растворе после электролиза. Для этого необходимо рассчитать массу сульфата натрия, которая осталась в растворе после электролиза:
m(Na2SO4) = m(Na2SO4) до — m(Na2SO4) выделившийся на катоде,
m(Na2SO4) = 0,082 кг — 46 г = 0,036 кг.
Массовая доля сульфата натрия в растворе после электролиза равна:
w(Na2SO4) = m(Na2SO4) / m = 0,036 кг / 2,05 кг ≈ 0,0176 = 1,76%.
Таким образом, массовая доля сульфата натрия в растворе после электролиза составляет 1,76%.
