Question

Через 292,5 г 20%-ного раствора хлорида натрия пропускали электрический ток до тех пор, пока масса раствора не уменьшилась на 80 г. К образовавшемуся раствору добавили 13 г цинка. Определите массовую долю воды в полученном растворе и массу газов, выделившихся на аноде. В ответе запишите уравнения реакций, которые указаны в условии задачи, и приведите все необходимые вычисления (указывайте единицы измерения и обозначения искомых физических величин).

Accepted Answer

Answer

Идея решения: при электролизе раствора $\ce{NaCl}$ выделяются газы, уменьшая массу раствора; затем цинк реагирует с образовавшимся гидроксидом натрия, выделяя водород; нужно отследить все превращения воды и газов.

**Шаг 1. Электролиз хлорида натрия**

$$\ce{2NaCl + 2H2O ->[электролиз] 2NaOH + Cl2 ^ + H2 ^}$$

**Шаг 2. Определение количества хлорида натрия**

Масса $\ce{NaCl}$ в исходном растворе:
$$m_{\ce{NaCl}} = 292{,}5 \cdot 0{,}2 = 58{,}5 	ext{ г}$$

Количество вещества:
$$
u_{\ce{NaCl}} = \frac{58{,}5}{58{,}5} = 1 	ext{ моль}$$

**Шаг 3. Расчёт выделившихся газов при электролизе**

Масса раствора уменьшилась за счёт выделения $\ce{H2}$ и $\ce{Cl2}$. Пусть $
u_{\ce{H2}} = x$ моль, тогда $
u_{\ce{Cl2}} = x$ моль (по уравнению реакции).

$$2x + 71x = 80$$
$$x = 1{,}1 	ext{ моль}$$

Однако 1 моль $\ce{NaCl}$ может дать максимум 0,5 моль $\ce{H2}$ и 0,5 моль $\ce{Cl2}$. Следовательно, после исчерпания $\ce{NaCl}$ начинается электролиз воды:

$$\ce{2H2O ->[электролиз] 2H2 ^ + O2 ^}$$

**Шаг 4. Газы из электролиза хлорида натрия**

$$
u_{\ce{H2(1)}} = \frac{
u_{\ce{NaCl}}}{2} = \frac{1}{2} = 0{,}5 	ext{ моль}$$
$$m_{\ce{H2(1)}} = 0{,}5 \cdot 2 = 1 	ext{ г}$$

$$
u_{\ce{Cl2}} = \frac{
u_{\ce{NaCl}}}{2} = 0{,}5 	ext{ моль}$$
$$m_{\ce{Cl2}} = 0{,}5 \cdot 71 = 35{,}5 	ext{ г}$$

**Шаг 5. Электролиз воды**

Масса воды, вступившей в электролиз:
$$m_{	ext{воды (электролиз)}} = 80 - 1 - 35{,}5 = 43{,}5 	ext{ г}$$

$$
u_{	ext{воды (электролиз)}} = \frac{43{,}5}{18} = 2{,}42 	ext{ моль}$$

Количество кислорода:
$$
u_{\ce{O2}} = \frac{2{,}42}{2} = 1{,}21 	ext{ моль}$$

$$m_{\ce{O2}} = 1{,}21 \cdot 32 = 38{,}72 	ext{ г}$$

**Шаг 6. Газы на аноде**

На аноде выделяются $\ce{Cl2}$ и $\ce{O2}$:
$$m_{	ext{газов (анод)}} = 35{,}5 + 38{,}72 = 74{,}22 	ext{ г}$$

**Шаг 7. Реакция цинка с гидроксидом натрия**

$$\ce{Zn + 2NaOH + 2H2O -> Na2[Zn(OH)4] + H2 ^}$$

Количество цинка:
$$
u_{\ce{Zn}} = \frac{13}{65} = 0{,}2 	ext{ моль}$$

Количество образовавшегося $\ce{NaOH}$:
$$
u_{\ce{NaOH}} = 1 	ext{ моль}$$

Так как $
u_{\ce{Zn}} : 
u_{\ce{NaOH}} = 0{,}2 : 1 = 1 : 5$, гидроксид натрия в избытке, цинк полностью реагирует.

Водород из этой реакции:
$$
u_{\ce{H2(3)}} = 0{,}2 	ext{ моль}$$
$$m_{\ce{H2(3)}} = 0{,}2 \cdot 2 = 0{,}4 	ext{ г}$$

**Шаг 8. Баланс воды в растворе**

Исходная масса воды:
$$m_{	ext{воды (исход)}} = 292{,}5 \cdot 0{,}8 = 234 	ext{ г}$$

Вода, вступившая в реакцию с $\ce{NaCl}$:
$$m_{	ext{воды (1)}} = 1 \cdot 18 = 18 	ext{ г}$$

Вода, вступившая в электролиз:
$$m_{	ext{воды (2)}} = 43{,}5 	ext{ г}$$

Вода, вступившая в реакцию с цинком:
$$
u_{	ext{воды (3)}} = 2 \cdot 0{,}2 = 0{,}4 	ext{ моль}$$
$$m_{	ext{воды (3)}} = 0{,}4 \cdot 18 = 7{,}2 	ext{ г}$$

Вода в конечном растворе:
$$m_{	ext{воды (конечн)}} = 234 - 18 - 43{,}5 - 7{,}2 = 165{,}3 	ext{ г}$$

**Шаг 9. Масса конечного раствора**

$$m_{	ext{конечн. р-ра}} = 292{,}5 + 13 - 80 - 0{,}4 = 225{,}1 	ext{ г}$$

**Шаг 10. Массовая доля воды**

$$\omega_{\ce{H2O}} = \frac{165{,}3}{225{,}1} = 0{,}734 = 73{,}4\%$$

Задание №34Расчётные задачиЕГЭ по химии