Чтобы решить задачу, давайте разберем ее подробно, шаг за шагом, с акцентом на понимание процессов, происходящих во время электролиза. Начнем с определения общих принципов электролиза и уравнений, а затем перейдем к расчетам изменения массы катода и анода.
Шаг 1: Определение процессов на катоде и аноде
Электролиз — это процесс химического разложения раствора под воздействием электрического тока. В этом варианте у нас есть раствор CuSO₄ и H₂SO₄.
На катоде (отрицательный электрод):
В результате электролиза сульфата меди (II) на катоде происходит восстановление ионов меди (Cu²⁺) с образованием меди (Cu) и выделением водорода из воды, но так как у нас есть CuSO₄ в растворе, основным процессом будет:
[ \text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu} ]
Так как у нас вопрос про газ, также можно упомянуть, что при настоящем процессе идет выделение водорода. Поэтому:
[ 2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 + 2OH^- ]
Но в данном случае, так как у нас 0.5 М H₂SO₄, основным процессом является выделение меди.
На аноде (положительный электрод):
Так как у нас медный анод и в растворе присутствуют ионы сульфата, в ходе электролиза медь будет окисляться. То есть процесс будет:
[ \text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2e^- ]
Шаг 2: Расчет изменения массы катода и анода
Теперь необходимо рассчитать, сколько меди выделилось на катоде и как изменилась масса.
Дано:
- Сила тока ( I = 7.5 , \text{А} )
- Время ( t = 105 , \text{мин} = 105 \times 60 , \text{с} = 6300 , \text{с} )
- Постоянная Фарадея ( F = 96500 , \text{Кл/моль} )
- Объем выделенного газа: 1.96 л с условиями 25 °C и 1 атм.
2.1: Определим количество электричества, прошедшего через раствор:
[
Q = I \cdot t = 7.5 , \text{А} \cdot 6300 , \text{с} = 47250 , \text{Кл}
]
2.2: Найдем количество выделившегося меди на катоде:
По уравнению реакции, для выделения 1 моля Cu необходимо 2 моля электронов, т.е. 2 F:
[
n_{\text{Cu}} = \frac{Q}{2F} = \frac{47250}{2 \cdot 96500} \approx 0.245 , \text{моль}
]
2.3: Найдем массу выделившейся меди:
Молярная масса меди (Cu) составляет примерно 63.5 г/моль:
[
m_{\text{Cu}} = n_{\text{Cu}} \cdot M_{\text{Cu}} = 0.245 , \text{моль} \cdot 63.5 , \text{г/моль} \approx 15.56 , \text{г}
]
2.4: Изменение массы катода и анода:
- Катод: масса увеличится на 15.56 г за счет выделения меди.
- Анод: масса уменьшится на 15.56 г за счет окисления меди.
Заключение
Уравнения процессов:
- На катоде: (\text{Cu}^{2+} + 2e^- \rightarrow \text{Cu})
- На аноде: (\text{Cu} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2e^-)
Изменения масс:
- Масса катода увеличилась на 15.56 г.
- Масса анода уменьшилась на 15.56 г.
Надеюсь, это объяснение помогло вам понять все процессы, происходящие во время электролиза и как рассчитываются изменения массы веществ! Если у вас есть дополнительные вопросы, не стесняйтесь задавать!
