Дано:
- масса раствора хлорида калия (KCl) = 180 г
- массовая доля соли в растворе = 14,3%
- объем газа, выделившегося на аноде (н. у.) = 2,75 л
Найти:
1. объем газа, выделившегося на катоде.
2. массовые доли веществ в полученном растворе.
Решение:
1. **Масса соли KCl в растворе:**
Масса соли KCl = 180 г × 14,3% = 180 г × 0,143 = 25,74 г.
2. **Количество вещества KCl в растворе:**
Молекулярная масса KCl:
M(KCl) = M(K) + M(Cl) = 39 + 35,5 = 74,5 г/моль.
Количество вещества KCl в растворе:
n(KCl) = масса KCl / молекулярная масса KCl = 25,74 г / 74,5 г/моль ≈ 0,345 моль.
3. **Процесс электролиза KCl:**
На аноде происходит выделение хлора (Cl2), а на катоде – водорода (H2). Реакции на электродах:
- На аноде: 2Cl- → Cl2 + 2e-
- На катоде: 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
Количество вещества Cl2, выделившегося на аноде, можно найти, используя объем газа, который выделился при стандартных условиях (н. у.): 1 моль газа при н. у. занимает 22,4 л.
Количество вещества Cl2, выделившегося на аноде:
n(Cl2) = V / 22,4 л = 2,75 л / 22,4 л/моль ≈ 0,123 моль.
4. **Количество вещества H2, выделившегося на катоде:**
Из уравнения реакции видно, что на катоде выделяется в два раза меньше молекул водорода, чем хлора, так как на аноде для выделения 1 молекулы Cl2 нужно 2 молекулы e-, а для выделения 1 молекулы H2 на катоде тоже требуется 2 молекулы e-. То есть на 1 моль Cl2 выделяется 1 моль H2.
Количество вещества H2 на катоде:
n(H2) = n(Cl2) = 0,123 моль.
Объем газа, выделившегося на катоде:
V(H2) = n(H2) × 22,4 л/моль = 0,123 моль × 22,4 л/моль ≈ 2,75 л.
Таким образом, объем газа, выделившегося на катоде, составляет 2,75 л.
5. **Массовые доли веществ в растворе после электролиза:**
После электролиза в растворе остаются ионы K+ и OH-, так как хлор выделяется на аноде, а водород – на катоде. Масса вещества в растворе после электролиза будет включать массу оставшихся в растворе ионов K+ и OH-.
Количество вещества KCl в растворе после электролиза:
n(KCl) = 0,345 моль, из которых часть превратилась в KOH.
Из уравнения реакции на катоде:
2H2O + 2e- → H2 + 2OH-
Так как выделяется 0,123 моль H2, то на катоде образуется 0,123 моль OH-. Ионы OH- связываются с ионами K+ в KOH. Следовательно, количество вещества KOH в растворе равно 0,123 моль.
Теперь определим массу KOH:
Молекулярная масса KOH:
M(KOH) = M(K) + M(O) + M(H) = 39 + 16 + 1 = 56 г/моль.
Масса KOH = n(KOH) × M(KOH) = 0,123 моль × 56 г/моль = 6,888 г.
Теперь определим массу оставшегося KCl в растворе:
Масса оставшегося KCl = масса исходного KCl - масса, прореагировавшая с водой:
Масса оставшегося KCl = 25,74 г - (0,123 моль × 74,5 г/моль) = 25,74 г - 9,18 г = 16,56 г.
Масса раствора после электролиза:
m(конеч. р-ра) = m(исх. р-ра) - m(Cl2) - m(H2) = 180 г - 0,123 моль × 71 г/моль - 0,123 моль × 2 г/моль = 171 г.
Массовая доля KOH в растворе после электролиза:
ω(KOH) = (13,78 г / 171 г) × 100% ≈ 8,06%.
Массовая доля KCl в растворе после электролиза:
ω(KCl) = (7,45 г / 171 г) × 100% ≈ 4,36%.
Ответ:
1. Объем газа, выделившегося на катоде, составляет 2,75 л.
2. Массовая доля KOH в растворе после электролиза ≈ 8,06%.
Массовая доля KCl в растворе после электролиза ≈ 4,36%.