Химия
8 класс
Вопрос
Электролиз 10%-ного водного раствора нитрата серебра (I) продолжали до тех пор, пока массовая доля растворенного вещества не стала равна 13%. На одном графике изобразите зависимость от времени количества всех веществ, выделяющихся на инертных электродах. На другом графике (с тем же масштабом времени) изобразите зависимость массы раствора от времени. Объясните качественные особенности приведенных графиков.
Ответ
Запишем уравнение электролиза раствора нитрата серебра:
$4AgNO_{3} + 2H_{2}O = 4Ag + O_{2} + 4HNO_{3}$.
При электролизе массовая доля $AgNO_{3}$ уменьшается, а массовая доля $HNO_{3}$ увеличивается. Найдем массовую долю $HNO_{3}$ при полном разложении $AgNO_{3}$. Возьмем 1000 г раствора, в котором содержится $1000 \cdot 0,1 = 100 г AgNO_{3}$. $n(AgNO_{3}) = \frac{100}{170} = 0,588 моль$. По уравнению реакции находим, что $n(HNO_{3}) = 0,588 моль, n(Ag) = 0,588 моль, n(O_{2}) = \frac{0,588}{4} = 0,147 моль$.
После разложения $AgNO_{3}$ масса раствора равна $1000 - m(Ag) - m(O_{2}) = 1000 - 0,588 \cdot 108 - 0,147 \cdot 32 = 931,8 г$. Масса вещества в растворе составляет $m(HNO_{3})= 0,588 \cdot 63 = 37,04 г$, а массовая доля равна $\omega(HNO_{3}) = \frac{37,04}{931,8} 100 \text{ %} = 3,98 \text{ %}$. Но, по условию, массовая доля должна быть равна 13%, следовательно, электролиз проходил в две стадии: сначала полностью разложился нитрат серебра, а затем при электролизе раствора $HNO_{3}$ частично разложилась вода:
$2H_{2}O = 2H_{2} + O_{2}$.
Выяснив механизм процесса, мы можем теперь построить искомые графики. Будем считать, что сила тока постоянна, и в одну секунду через раствор проходит $x$ моль электронов. Тогда из уравнений электродных процессов
$Ag^{+} + e = Ag$,
$4OH^{-} - 4e = 2H_{2}O + O_{2}$,
$2H^{+} + 2e = H_{2}$.
следует, что на первой стадии электролиза каждую секунду на электродах выделяется $x$ моль $Ag$ (массой $108x$ г) и $x/4$ моль $O_{2}$ (массой $8x$ г), а на второй стадии за одну секунду выделяется $x/2$ моль $H_{2}$ (массой $x$ г) и $x/4$ моль $O_{2}$ (массой $8x$ г). Следовательно, графики зависимости количеств выделившихся веществ от времени представляют собой прямые линии, причем тангенсы углов наклонов для $Ag, O_{2}$ и $H_{2}$ относятся друг к другу как 4:1:2 (рис.).
Уменьшение массы раствора за одну секунду на первой стадии электролиза составляет $108x + 8x = 116x г$ (за счет $Ag$ и $O_{2}$), а на второй стадии $x + 8x = 9x г$. Отношение тангенсов углов наклона двух отрезков прямой равно 116:9 (рис.).