Question

四硫化鈉（Na₂S₄）固體可替代紅磷測定空氣中氧氣的體積分數，反應原理為：2 Na₂S₄ + O₂ + 2H₂O =" 8S↓+" 4 NaOH。
【實驗資料】
①四硫化鈉（Na₂S₄）的相對分子質量為        ，其中硫元素的質量分數為       （結果精確到0.1%）。
②四硫化鈉受熱時，會與空氣中的水蒸氣反應，生成少量有毒氣體硫化氫。
③NaOH溶液呈堿性，可吸收硫化氫、二氧化碳、二氧化硫等酸性氣體
④硫代硫酸鈉（Na₂S₂O₃）可溶于水，常溫下與NaOH溶液不反應。
【實驗過程】
①取碳酸鈉、 硫粉混合后置于試管中，加熱（如圖1所示，夾持裝置已略去），制得Na₂S₄，反應為4Na₂CO₃ + 12S + X 2 Na₂S₄+ 2 Na₂S₂O₃ + 4CO₂，X 的化學式為      ，蘸有濃NaOH 溶液的棉花的作用是                                                  。
②冷卻后，取下棉花，放置一段時間，再向該試管中加入10ml水，迅速塞緊橡膠塞，充分振蕩，測量液面至橡膠塞下沿的距離，記錄數據h1（如圖2所示）
③將該試管插入水中（如圖3所求），取下橡膠塞，觀察到                            
                                                         ，塞緊橡膠塞。將試管取出，倒過來，測量液面至橡膠塞下沿的距離，記錄數據h2，理論上h1:h2＝         
④按照①～③再重復實驗2次．3次實驗數據如下表所示。

	第1次	第2次	第3次
h1/cm	11.2	11.4	11.6
h2/cm	8.9	9.1	9.2

【解釋與結論】根據第1次實驗數據，計算空氣中氧氣的體積分數為      （結果精確到0.1%）。
【反思與評價】(1)若實驗過程②中，取下棉花后，未放置一段時間即進行后續操作，會影響測定結果，請說明有何影響，并闡述理由：                              。（2分）
（2）若要保證實驗的效果，至少需要生成四硫化鈉（Na₂S₄）0.174g ,則理論上實驗時至少取碳酸鈉粉末    克？寫出計算過程（2分）

Answer 1

試題分析：
【實驗資料】相對分子質量指分子中原子的相對原子質量之和，四硫化鈉（Na₂S₄）的相對分子質量為23×2+32×4=174。硫元素的質量分數指化合物中硫元素質量占整個化合物質量的百分數。列式為：(32×4/174)×100%=73.56%，題目要求精確到0.1%，結果為73.6%。
【實驗過程】①根據質量守恒定律，反應前后原子的種類、數目、質量不變。所以X的化學式為O₂。根據4Na₂CO₃ + 12S + X 2 Na₂S₄+ 2 Na₂S₂O₃ + 4CO₂，碳酸鈉、 硫粉混合后置于試管中，加熱會產生CO2，根據【 實驗資料】②四硫化鈉受熱時，會與空氣中的水蒸氣反應，生成少量有毒氣體硫化氫，③NaOH溶液呈堿性，可吸收硫化氫、二氧化碳、二氧化硫等酸性氣體。綜合可知，氫氧化鈉溶液的作用應該是吸收二氧化碳、硫化氫等氣體。
③冷卻后，試管中固體為Na₂S₄和 Na₂S₂O₃，再加入水，根據2 Na₂S₄ + O₂ + 2H₂O =" 8S↓+" 4 NaOH可知，生成淡黃色物質硫，試管中的空氣中的氧氣被消耗，再倒插入水中，試管中的水面會上升。所以本題答案為：有淡黃色固體產生，試管內液面上升。h1實質是空氣的體積，h2是把氧氣消耗后剩余氣體的體積，實際上主要是氮氣的體積，所以h1 ：h2=5：4
【解釋與結論】根據第1次實驗數據，氧氣體積為11.2-8.9=2.3，空氣體積為11.2，所以氧氣的體積分數為2.3/11.2×100%=20.5%
【反思與評價】
（1）若未放置一段時間，結果將偏小；因為第一步反應（碳酸鈉、 硫粉混合后置于試管中加熱）消耗了試管空氣中的氧氣，若不靜置第二步反應中氧氣含量偏低，測量結果偏小。
（2）此題為根據化學方程式的計算。計算時依據化學方程式的含義——表示各物質的質量比進行計算。具體解題過程為：
解：設需要碳酸鈉的質量為x
4Na₂CO₃ + 12S + X 2 Na₂S₄+ 2 Na₂S₂O₃ + 4CO₂
424                     348
x                     0.174g 
 
x=0.212g