化学変化とイオンの問題

ビーカーに塩化銅水溶液を入れ、炭素棒の電極を 2 本ひたして電源装置につなぎ、電流を流して電気分解を行った。すると、陰極の表面には赤色の銅が付着し、陽極からは塩素が発生した。

電流を流す前と、電流を止めて電極をとり出したあとで、ビーカーの中の水溶液の質量をはかったところ、水溶液の質量は $1.35\text{g}$ 減少していた。このとき、陰極に付着した銅は何 g ですか。

ただし、塩化銅にふくまれる銅と塩素の質量の比は $64:71$ とする。また、陰極に付着した銅はすべて電極とともにとり出され、発生した塩素は水溶液にとけずにすべて空気中に出ていったものとし、水の蒸発は考えないものとする。

電気分解について、次の実験を行った。

実験 1　十分な量の塩化銅水溶液に炭素棒の電極を 2 本ひたし、電源装置につないで $0.50\text{A}$ の電流を $20$ 分間流した。陰極には銅が付着し、その質量は $0.20\text{g}$ であった。陽極からは塩素が発生した。

実験 2　実験 1 と同じ濃度の十分な量の塩化銅水溶液に炭素棒の電極をひたした装置 A と、少量の水酸化ナトリウムをとかした水に白金の電極をひたした水の電気分解装置 B を用意した。電源装置の $+$ 極、装置 A、装置 B、電源装置の $-$ 極が 1 本の道すじになるように導線で直列につなぎ、$0.65\text{A}$ の一定の電流を流した。しばらくして電流を止めると、装置 B の陽極に集まった酸素の体積は $100{\text{cm}}^3$ であった。

ただし、次のことがらが成り立つものとする。
- 装置 A では、銅イオン $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ 1 個が電子を 2 個受けとって銅原子 1 個になる。
- 装置 B では、電子が 4 個移動するごとに、陰極で水素分子が 2 個、陽極で酸素分子が 1 個発生する。酸素分子 1 個は酸素原子 2 個からできている。
- 銅原子 1 個と酸素原子 1 個の質量の比は $4:1$ である。
- 陰極に付着する銅の質量は、電流の大きさと電流を流した時間のそれぞれに比例する。
- 酸素 $1\text{L}$ の質量は $1.3\text{g}$ とし、発生した酸素は水にとけず、すべて集められたものとする。

実験 2 で電流を流した時間は何分ですか。

塩化銅水溶液に 2 本の炭素棒を電極として入れ、電源装置と電流計をつないで電気分解を行った。電流の大きさと電流を流した時間を変えて、陰極に付着した銅の質量を調べたところ、次の結果が得られた。

次に、塩化銅 $5.40\text{g}$ を水にとかした水溶液を用意し、同じ装置で $1.6\text{A}$ の電流を流し続けて電気分解を行った。

塩化銅は銅と塩素が質量の比 $64:71$ で結びついた物質である。電気分解では塩化銅だけが銅と塩素に分解され、生じた銅はすべて陰極に付着し、生じた塩素はすべて気体として水溶液の外へ出ていくものとする。また、電流の大きさは一定に保たれ、付着する銅の質量は上の実験の結果と同じ規則にしたがうものとする。

水溶液中に残っている塩化銅の質量が $2.70\text{g}$ になるのは、電流を流しはじめてから何分後ですか。

水 $100\text{g}$ に塩化銅 $9.5\text{g}$ をとかした塩化銅水溶液がある。この水溶液に炭素棒の電極を 2 本ひたして電源装置につなぎ、電流を流して電気分解を行った。しばらくして電流を止め、陰極を取り出して調べると、陰極の表面に銅が $2.7\text{g}$ 付着していた。

塩化銅は銅と塩素が質量の比 $9:10$ で結びついた物質であり、この電気分解では塩化銅が銅と塩素に分解する変化だけが起こったものとする。また、付着した銅はすべて陰極に残っていたものとする。

このとき、電流を止めた後の水溶液中に、分解されずに残っている塩化銅は何 g ですか。

塩化銅水溶液に炭素棒の電極を 2 本ひたし、電源装置につないで一定の大きさの電流を流し、電気分解を行った。電流を流した時間と、陰極に付着した銅の質量を調べると、次のようになった。

同じ大きさの電流を $25$ 分間流し続けると、陰極に付着する銅の質量は何 g になりますか。

ただし、水溶液中の塩化銅は電流を流しているあいだになくならないものとし、陰極で生じた銅はすべて陰極に付着するものとする。