Уравняйте уравнения реакций, протекающих в растворе на аноде

Считая, что на аноде и катоде не происходит никаких других процессов, приведите общее уравнение электролиза водного раствора $\rm{CuSO_4}$.

Реакции на аноде и катоде соответственно:

\[ 2\mathrm{H_2O} - 4e^- \to 4\mathrm{H^+ + O_2} \uparrow, \]

\[ \mathrm{Cu^{2+}} + 2e^- \to \mathrm{Cu^0}.\]

Полное уравнение электролиза:

\[ \rm 2Cu SO_4 + 2H_2O \to 2H_2SO_4 + 2Cu + O_2 \uparrow. \]

Назовем полученный раствор “раствор A2.” Налейте 5 мл раствора A2 в пробирку Answer tube A2.

Количество вещества медного купороса, которое нужно добавить, определяется как $\nu_{\rm bs} = c_0V_0$.

Значит, масса равна

$$m_{\rm bs} = c_0 V_0 \cdot M ({\rm CuSO_4 \cdot 5 H_2O}).$$

Снимите зависимость объёма выделившегося кислорода $V_{\rm O_2}$ от времени $t$. Выполните не менее 10 измерений. Постройте график полученной зависимости и аппроксимируйте полученные результаты кривой.

Ответ:

Жюри проведет спектроскопию этого раствора

Подставляя известные значения $I = 1$ A и $t = 3600$ c, вычисляем заряд $Q = I \cdot t$

Можем определить количество молекул кислорода:
$$N_{O_2} = \frac{N_{A}p_0V_{O_2}}{RT_0}.$$Для восстановления одной молекулы кислорода необходимо 4 электрона, поэтому:
$$Q_{O_2} = 4e\cdot N_{O_2} = \frac{4eN_{A}p_0V_{O_2}}{RT} = 2870\text{ Кл}.$$

Обратите внимание, что исходный раствор A2 обладает очень высоким значением поглощения, поэтому на этом этапе вам нужно рассчитать его разбавление в 10 или более раз.

Полный объем получившегося раствора

$$V_0 = V_\textbf{A2} + V_{\rm H_2O}.$$

Количество вещества ионов меди не меняется после разбавления водой:

$$[\rm Cu^{2+}] \cdot V_0 = c_0 V_\textbf{A2}.$$

Отсюда

$$ \begin{cases} V_\textbf{A2} =  V_0\dfrac{[\rm Cu^{2+}]}{c_0}, \\ V_{\rm H_2O} = V_0\dfrac{c_0 - [\rm Cu^{2+}]}{c_0}. \end{cases}$$

Сохраните полученные спектры в папке “Results/B2” на Рабочем столе под именами “B2.{номер кюветы}.txt” (например, “B2.3.txt”).

Ответ:

Сохраните полученный спектр в папке “Results/B5” на Рабочем столе под именем “B5.txt”.

Ответ:

Поглощение на длине волны $\lambda_n = 760 \text{ нм}$ составляет $A(\lambda_n) = 0.6564 \text{ a.u.}$

$$[{\rm Cu}^{2+}]_{\bf A4}=10 \cdot  A(\lambda_n) / s$$

По графику определяем $A_{\rm iso}=0.34 \text{ a. u.}$ Значение $A_{\rm peak}$ для каждого значения $\operatorname{pH}$ запишем в таблицу.

Ответ:

Считая зависимость $A_{\rm peak}/A_{\rm iso} ({\rm pH})$ линейной, определяем по графику из С1 значение:

$$
A'_{\rm peak}/A'_{\rm iso} = 2.92 \\
{\rm pH_{fin}} = 0.85$$

$$A'_{peak}/A'_{iso} = 2.52\\
\text{pH}_{\text{ini}} = 3.92$$

Начальная и конечная концентрации ионов водорода равны $10^{-\operatorname{pH}_{\mathrm{ini}}}\,\mathrm{M}$ и $10^{-\operatorname{pH}_{\mathrm{fin}}}\,\mathrm{M}$.

Изменение концентрации ионов водорода в растворе равно $\frac{Q_{\operatorname{pH}}}{eN_A V_i}$. Таким образом, $$Q_{\operatorname{pH}}=eN_AV_i\cdot\left(10^{-\operatorname{pH}_{\mathrm{fin}}}-10^{-\operatorname{pH}_{\mathrm{ini}}}\right) \,\mathrm{M}\simeq eN_AV_i\cdot10^{-\operatorname{pH}_{\mathrm{fin}}}\,\mathrm{M}.$$

1. Верно. Действительно, часть образующегося кислорода растворяется в жидкости, после чего может утекать через поверхность раствора
2. Неверно. На катоде происходит восстановление, а образование $\rm O_2$ — процесс окисления. Поэтому молекулярный кислород не может образовываться на катоде.
3. Верно. Именно этот эффект приводит к заниженным значениям измеренного объема кислорода при электролизе и вычисленному на его основе значению заряда $Q_{\text{O}_2}$.
4. Верно. На катоде может выделяться небольшое количество водорода, а на аноде — углекислый газ (в результате взаимодействия кислорода с электродом)
5. Неверно. $\rm CuSO_4$ диссоциирует очень хорошо
6. Неверно. На катоде все так же будет происходить восстановление меди из раствора. Изменение $\operatorname{pH}$ будет таким же.
7. Верно. Если заменить анод на медный, то на нем в первую очередь будет проходить реакция окисления меди (вместо окисления воды). Поэтому суммарно в растворе не будет меняться ни $[\rm Cu^{2+}]$, ни $\operatorname{pH}$. Значит, невозможно определить заряд по изменению соответствующих величин

Пояснение к вопросу #4:

Потенциал восстановления ионов $\rm Cu^{2+}$ больше потенциала восстановления ионов $\rm H^{+}$, однако при ненулевой силе тока электрод не находится в равновесии с раствором и поэтому по значениям одних только потенциалов восстановления нельзя сказать о соотношении скоростей данных реакций. При электролизе в гальваностатическом режиме постоянный и ненулевой ток течет в растворе благодаря растворенным в нем ионам. Движение ионов в приэлектродной области раствора около катода происходит благодаря их диффузии, поскольку электрическое поле со стороны электрода экранировано электролитом, а конвекция затруднена вязкостью. Интенсивность диффузии, а значит и разница между концентрациями ионов меди около катода и в глубине раствора регулируется величиной силы тока. Выделение газообразного водорода на катоде начнется при той силе тока, при которой концентрация ионов меди около катода будет достаточно малой (в условиях опыта - пренебрежимо малой по сравнению с концентрацией ионов меди в глубине раствора).

Величины зарядов $Q_{\mathrm{O}_2}$ и $Q_{\operatorname{pH}}$ могут отличаться от действительности в силу протекания реакции углеродного электрода и кислорода. В результате кислорода выделяется меньше, а углекислый газ растворяется, закисляя среду.
На величину $Q_{\mathrm{Cu}}$ этот эффект не влияет, и на эксперименте соответствующее значение оказывается наиболее близким к вычисленному по току $Q = I \cdot t$.

Если в течение 30 минут после начала эксперимента не наблюдается выделения кислорода, запишите 0 в качестве объема $V_{O_2}$ в таблице на листе ответов.

Если через 30 минут после начала эксперимента наблюдается выделение кислорода, продолжайте наблюдения на протяжении следующих 1,5 часов. Запишите объемы кислорода $V_{O_2}$ , выделившегося при облучении культуры светом разных цветов, в таблицу на листе ответов.

Смещения водяных поршней спустя 2 часа составляют
\begin{align}
\Delta x_{\rm red} = 14.1 \ \text{см},\\
\Delta x_{\rm green} = 6.0 \ \text{см}, \\
\Delta x_{\rm blue} = 10.5 \ \text{см}.
\end{align}

В соответствии с инструкцией G4 используйте камеру Горяева для подсчета клеток в четырех маленьких квадратах $n_A$ и $n_B$ микроорганизмов $A$ и $B$.

Длина стороны большого квадрата камеры Горяева 0,2 мм, глубина - 0,1 мм, большой квадрат разделен на 16 маленьких. Посчитайте общее количество клеток $N_A$ и $N_B$ микроорганизмов $A$ и $B$ в шприце объемом 20 мл. Запишите формулу, показывающую отношение $n_A$ и $N_A$ .

$$n_A = 25, \; n_B = 17.$$$$N = n \cdot 20 \text{ мл} \cdot \dfrac{16}{0.2 \times 0.2 \times 0.1 \text{ мм}^3 \cdot 4}.$$

Сразу после окончания хроматографии высушите пластинку, оцените результат и аккуратно подпишите карандашом пятна, обозначив хлорофилл как “X” , а каротиноиды как “O” .

Поднимите карточку HELP, чтобы ассистент подошел к вам и сфотографировал вашу пластинку.

Поместите подписанную пластинку в пробирку Answer tube F1.

Жюри проверит эту пластину

Сохраните измеренные спектры в папке "Results/F2" на рабочем столе под именами "F2.A.txt" и "F2.В.txt" для микроорганизмов $A$ и $B$, соответственно.

Перелейте 3 мл раствора экстракта, с которым вы работали, в пробирки Answer tube F2.A и Answer tube F2.В.

Авторский спектр F2

Жюри проведет спектроскопию этого раствора

1. цианобактерии и зеленые водоросли
2. анаэробные редуценты органического вещества
3. зеленые бактерии
4. пурпурные бактерии

Запишите цифры соответствующие этим организмам в таблицу на листе ответов.