Question

9．密閉容器中放有H₂S和O₂的混合氣體，加熱至493K后點燃，反應結束后溫度降至493K，測得容器中壓強為反應前的71.4%，再向此容器中通入80g O₂，點燃使之反應，并達到完全燃燒，反應結束后溫度仍恢復到493K，測得容器中壓強為最初的1.43倍，此時容器中還有O₂（設此體系中不會生成SO₃），原容器中H₂S與O₂的物質的量各是多少？（各計算步驟必須加以說明）

Answer 1

分析 H₂S與O₂的反應為：①氧氣不足，硫化氫過量時：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2S+2H₂O，②氧氣部分過量時：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2S+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$SO₂，③氧氣有剩余時：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O，
根據pV=nRT可知，容積、溫度一定時壓強與物質的量成正比，該溫度下水為氣態，
當只按照反應①進行時，則反應后壓強為反應前的：$\frac{2}{3}$×100%=66.67%＜71.4%，當反應按照③進行反應時，則反應后壓強是反應前的：$\frac{4}{5}$×100%=80%＞71.4%，說明開始時氧氣不足，反應按照反應①或②進行；
設原混合氣體中含有硫化氫xmol，含有氧氣ymol，
（一）當只發生反應①且恰好反應時，反應后氣體為硫化氫和水，根據反應可知，生成水的體積等于硫化氫的體積，則硫化氫的物質的量為71.4%（x+y），
第二步加入80g氧氣（2.5mol）后主要發生反應：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$SO₂，
第一步反應剩余的硫化氫為（x-2y），發生反應后氣體的物質的量減少了：$\frac{1}{2}$（x-2y）mol，根據差量法通入氧氣反應結束后氣體總物質的量增加了：2.5mol-0.5（x-2y）mol=（1.43-71.4%）（x+y）mol，結合x=71.4%（x+y）計算即可；
（二）反應后壓強為反應前的66.67%，而實際上為71.4%，反應②的S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$SO₂反應中反應前后氣體體積不變，說明參與該反應的氧氣占有的壓強為：71.4%-66.67%=4.73%，
第二步加入80g氧氣（2.5mol）后主要發生反應：S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$SO₂，反應后氣體總體積不變，則加入2.5mol氧氣引起的壓強變化為：1.43-71.4%=0.716，所以該容器中1mol氣體所占有的壓強為：$\frac{0.716}{2.5}$=0.2864，
則反應前硫化氫和氧氣的總物質的量為：$\frac{1}{0.2864}$mol=3.49mol，第一步反應過后過量的氧氣所占的壓強為0.0473，過量的氧氣的物質的量為：$\frac{0.0473}{0.2864}$mol=0.165mol，
硫化氫與氧氣發生反應2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2S+2H₂O的總物質的量為：3.49mol-0.165mol=3.325mol，再結合反應方程式計算出原混合氣體中硫化氫和氧氣的物質的量．

解答 解：硫化氫與氧氣的反應有：①氧氣不足，硫化氫過量時：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2S+2H₂O，②氧氣部分過量時：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2S+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$SO₂，③氧氣有剩余時：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O，
根據pV=nRT可知，容積、溫度一定時壓強與物質的量成正比，該溫度下水為氣態，
當只按照反應①進行時，則反應后壓強為反應前的：$\frac{2}{3}$×100%=66.67%＜71.4%，當反應按照③進行反應時，則反應后壓強是反應前的：$\frac{4}{5}$×100%=80%＞71.4%，
說明開始時氧氣不足，反應按照反應①或②進行；
設原混合氣體中含有硫化氫xmol，含有氧氣ymol，
（一）當只發生反應①且恰好反應時，反應后氣體為硫化氫和水，根據反應可知，生成水的體積等于硫化氫的體積，則硫化氫的物質的量為71.4%（x+y），
第二步加入80g氧氣（2.5mol）后主要發生反應：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$SO₂，
第一步反應剩余的硫化氫為（x-2y），發生反應后氣體的物質的量減少了：$\frac{1}{2}$（x-2y）mol，根據差量法通入氧氣反應結束后氣體總物質的量增加了：2.5mol-0.5（x-2y）mol=（1.43-71.4%）（x+y）mol，結合x=71.4%（x+y）解得：x=2.27mol、y=0.907mol；
（二）反應后壓強為反應前的66.67%，而實際上為71.4%，反應②的S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$SO₂反應中反應前后氣體體積不變，說明參與該反應的氧氣占有的壓強為：71.4%-66.67%=4.73%，
第二步加入80g氧氣（2.5mol）后主要發生反應：S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$SO₂，反應后氣體總體積不變，則加入2.5mol氧氣引起的壓強變化為：1.43-71.4%=0.716，
所以該容器中1mol氣體所占有的壓強為：$\frac{0.716}{2.5}$=0.2864，
則反應前硫化氫和氧氣的總物質的量為：$\frac{1}{0.2864}$mol=3.49mol，
第一步反應過后過量的氧氣所占的壓強為0.0473，過量的氧氣的物質的量為：$\frac{0.0473}{0.2864}$mol=0.165mol，
硫化氫與氧氣發生反應2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2S+2H₂O的總物質的量為：3.49mol-0.165mol=3.325mol，其中氧氣的物質的量為：3.326mol×$\frac{1}{3}$=1.108mol，硫化氫的物質的量為：3.326mol×$\frac{2}{3}$=2.217mol，
則原混合氣體中硫化氫的物質的量為：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．

點評 本題考查了討論法在化學計算中的應用，題目難度較大，明確發生反應原理為解答關鍵，注意掌握討論法在化學計算中的應用方法，試題培養了學生的分析理解能力及化學計算能力．