Question

9．密閉容器中放有H₂S和O₂的混合氣體，加熱至493K后點(diǎn)燃，反應(yīng)結(jié)束后溫度降至493K，測(cè)得容器中壓強(qiáng)為反應(yīng)前的71.4%，再向此容器中通入80g O₂，點(diǎn)燃使之反應(yīng)，并達(dá)到完全燃燒，反應(yīng)結(jié)束后溫度仍恢復(fù)到493K，測(cè)得容器中壓強(qiáng)為最初的1.43倍，此時(shí)容器中還有O₂（設(shè)此體系中不會(huì)生成SO₃），原容器中H₂S與O₂的物質(zhì)的量各是多少？（各計(jì)算步驟必須加以說(shuō)明）

Answer 1

分析 H₂S與O₂的反應(yīng)為：①氧氣不足，硫化氫過(guò)量時(shí)：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2S+2H₂O，②氧氣部分過(guò)量時(shí)：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2S+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$SO₂，③氧氣有剩余時(shí)：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O，
根據(jù)pV=nRT可知，容積、溫度一定時(shí)壓強(qiáng)與物質(zhì)的量成正比，該溫度下水為氣態(tài)，
當(dāng)只按照反應(yīng)①進(jìn)行時(shí)，則反應(yīng)后壓強(qiáng)為反應(yīng)前的：$\frac{2}{3}$×100%=66.67%＜71.4%，當(dāng)反應(yīng)按照③進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，則反應(yīng)后壓強(qiáng)是反應(yīng)前的：$\frac{4}{5}$×100%=80%＞71.4%，說(shuō)明開(kāi)始時(shí)氧氣不足，反應(yīng)按照反應(yīng)①或②進(jìn)行；
設(shè)原混合氣體中含有硫化氫xmol，含有氧氣ymol，
（一）當(dāng)只發(fā)生反應(yīng)①且恰好反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)后氣體為硫化氫和水，根據(jù)反應(yīng)可知，生成水的體積等于硫化氫的體積，則硫化氫的物質(zhì)的量為71.4%（x+y），
第二步加入80g氧氣（2.5mol）后主要發(fā)生反應(yīng)：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$SO₂，
第一步反應(yīng)剩余的硫化氫為（x-2y），發(fā)生反應(yīng)后氣體的物質(zhì)的量減少了：$\frac{1}{2}$（x-2y）mol，根據(jù)差量法通入氧氣反應(yīng)結(jié)束后氣體總物質(zhì)的量增加了：2.5mol-0.5（x-2y）mol=（1.43-71.4%）（x+y）mol，結(jié)合x(chóng)=71.4%（x+y）計(jì)算即可；
（二）反應(yīng)后壓強(qiáng)為反應(yīng)前的66.67%，而實(shí)際上為71.4%，反應(yīng)②的S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$SO₂反應(yīng)中反應(yīng)前后氣體體積不變，說(shuō)明參與該反應(yīng)的氧氣占有的壓強(qiáng)為：71.4%-66.67%=4.73%，
第二步加入80g氧氣（2.5mol）后主要發(fā)生反應(yīng)：S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$SO₂，反應(yīng)后氣體總體積不變，則加入2.5mol氧氣引起的壓強(qiáng)變化為：1.43-71.4%=0.716，所以該容器中1mol氣體所占有的壓強(qiáng)為：$\frac{0.716}{2.5}$=0.2864，
則反應(yīng)前硫化氫和氧氣的總物質(zhì)的量為：$\frac{1}{0.2864}$mol=3.49mol，第一步反應(yīng)過(guò)后過(guò)量的氧氣所占的壓強(qiáng)為0.0473，過(guò)量的氧氣的物質(zhì)的量為：$\frac{0.0473}{0.2864}$mol=0.165mol，
硫化氫與氧氣發(fā)生反應(yīng)2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2S+2H₂O的總物質(zhì)的量為：3.49mol-0.165mol=3.325mol，再結(jié)合反應(yīng)方程式計(jì)算出原混合氣體中硫化氫和氧氣的物質(zhì)的量．

解答 解：硫化氫與氧氣的反應(yīng)有：①氧氣不足，硫化氫過(guò)量時(shí)：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2S+2H₂O，②氧氣部分過(guò)量時(shí)：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2S+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$SO₂，③氧氣有剩余時(shí)：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O，
根據(jù)pV=nRT可知，容積、溫度一定時(shí)壓強(qiáng)與物質(zhì)的量成正比，該溫度下水為氣態(tài)，
當(dāng)只按照反應(yīng)①進(jìn)行時(shí)，則反應(yīng)后壓強(qiáng)為反應(yīng)前的：$\frac{2}{3}$×100%=66.67%＜71.4%，當(dāng)反應(yīng)按照③進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，則反應(yīng)后壓強(qiáng)是反應(yīng)前的：$\frac{4}{5}$×100%=80%＞71.4%，
說(shuō)明開(kāi)始時(shí)氧氣不足，反應(yīng)按照反應(yīng)①或②進(jìn)行；
設(shè)原混合氣體中含有硫化氫xmol，含有氧氣ymol，
（一）當(dāng)只發(fā)生反應(yīng)①且恰好反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)后氣體為硫化氫和水，根據(jù)反應(yīng)可知，生成水的體積等于硫化氫的體積，則硫化氫的物質(zhì)的量為71.4%（x+y），
第二步加入80g氧氣（2.5mol）后主要發(fā)生反應(yīng)：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$SO₂，
第一步反應(yīng)剩余的硫化氫為（x-2y），發(fā)生反應(yīng)后氣體的物質(zhì)的量減少了：$\frac{1}{2}$（x-2y）mol，根據(jù)差量法通入氧氣反應(yīng)結(jié)束后氣體總物質(zhì)的量增加了：2.5mol-0.5（x-2y）mol=（1.43-71.4%）（x+y）mol，結(jié)合x(chóng)=71.4%（x+y）解得：x=2.27mol、y=0.907mol；
（二）反應(yīng)后壓強(qiáng)為反應(yīng)前的66.67%，而實(shí)際上為71.4%，反應(yīng)②的S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$SO₂反應(yīng)中反應(yīng)前后氣體體積不變，說(shuō)明參與該反應(yīng)的氧氣占有的壓強(qiáng)為：71.4%-66.67%=4.73%，
第二步加入80g氧氣（2.5mol）后主要發(fā)生反應(yīng)：S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$SO₂，反應(yīng)后氣體總體積不變，則加入2.5mol氧氣引起的壓強(qiáng)變化為：1.43-71.4%=0.716，
所以該容器中1mol氣體所占有的壓強(qiáng)為：$\frac{0.716}{2.5}$=0.2864，
則反應(yīng)前硫化氫和氧氣的總物質(zhì)的量為：$\frac{1}{0.2864}$mol=3.49mol，
第一步反應(yīng)過(guò)后過(guò)量的氧氣所占的壓強(qiáng)為0.0473，過(guò)量的氧氣的物質(zhì)的量為：$\frac{0.0473}{0.2864}$mol=0.165mol，
硫化氫與氧氣發(fā)生反應(yīng)2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點(diǎn)燃\;}}{\;}$2S+2H₂O的總物質(zhì)的量為：3.49mol-0.165mol=3.325mol，其中氧氣的物質(zhì)的量為：3.326mol×$\frac{1}{3}$=1.108mol，硫化氫的物質(zhì)的量為：3.326mol×$\frac{2}{3}$=2.217mol，
則原混合氣體中硫化氫的物質(zhì)的量為：2.217mol，氧氣為：1.108mol+0.165mol=1.273mol，
答：原混合氣體中含有2.27mol硫化氫、0.907mol氧氣或2.217mol硫化氫、1.273mol氧氣．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了討論法在化學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用，題目難度較大，明確發(fā)生反應(yīng)原理為解答關(guān)鍵，注意掌握討論法在化學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用方法，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析理解能力及化學(xué)計(jì)算能力．