Question

9．密闭容器中放有H₂S和O₂的混合气体，加热至493K后点燃，反应结束后温度降至493K，测得容器中压强为反应前的71.4%，再向此容器中通入80g O₂，点燃使之反应，并达到完全燃烧，反应结束后温度仍恢复到493K，测得容器中压强为最初的1.43倍，此时容器中还有O₂（设此体系中不会生成SO₃），原容器中H₂S与O₂的物质的量各是多少？（各计算步骤必须加以说明）

Answer 1

分析 H₂S与O₂的反应为：①氧气不足，硫化氢过量时：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2S+2H₂O，②氧气部分过量时：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2S+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$SO₂，③氧气有剩余时：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O，
根据pV=nRT可知，容积、温度一定时压强与物质的量成正比，该温度下水为气态，
当只按照反应①进行时，则反应后压强为反应前的：$\frac{2}{3}$×100%=66.67%＜71.4%，当反应按照③进行反应时，则反应后压强是反应前的：$\frac{4}{5}$×100%=80%＞71.4%，说明开始时氧气不足，反应按照反应①或②进行；
设原混合气体中含有硫化氢xmol，含有氧气ymol，
（一）当只发生反应①且恰好反应时，反应后气体为硫化氢和水，根据反应可知，生成水的体积等于硫化氢的体积，则硫化氢的物质的量为71.4%（x+y），
第二步加入80g氧气（2.5mol）后主要发生反应：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$SO₂，
第一步反应剩余的硫化氢为（x-2y），发生反应后气体的物质的量减少了：$\frac{1}{2}$（x-2y）mol，根据差量法通入氧气反应结束后气体总物质的量增加了：2.5mol-0.5（x-2y）mol=（1.43-71.4%）（x+y）mol，结合x=71.4%（x+y）计算即可；
（二）反应后压强为反应前的66.67%，而实际上为71.4%，反应②的S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$SO₂反应中反应前后气体体积不变，说明参与该反应的氧气占有的压强为：71.4%-66.67%=4.73%，
第二步加入80g氧气（2.5mol）后主要发生反应：S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$SO₂，反应后气体总体积不变，则加入2.5mol氧气引起的压强变化为：1.43-71.4%=0.716，所以该容器中1mol气体所占有的压强为：$\frac{0.716}{2.5}$=0.2864，
则反应前硫化氢和氧气的总物质的量为：$\frac{1}{0.2864}$mol=3.49mol，第一步反应过后过量的氧气所占的压强为0.0473，过量的氧气的物质的量为：$\frac{0.0473}{0.2864}$mol=0.165mol，
硫化氢与氧气发生反应2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2S+2H₂O的总物质的量为：3.49mol-0.165mol=3.325mol，再结合反应方程式计算出原混合气体中硫化氢和氧气的物质的量．

解答 解：硫化氢与氧气的反应有：①氧气不足，硫化氢过量时：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2S+2H₂O，②氧气部分过量时：2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2S+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$SO₂，③氧气有剩余时：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O，
根据pV=nRT可知，容积、温度一定时压强与物质的量成正比，该温度下水为气态，
当只按照反应①进行时，则反应后压强为反应前的：$\frac{2}{3}$×100%=66.67%＜71.4%，当反应按照③进行反应时，则反应后压强是反应前的：$\frac{4}{5}$×100%=80%＞71.4%，
说明开始时氧气不足，反应按照反应①或②进行；
设原混合气体中含有硫化氢xmol，含有氧气ymol，
（一）当只发生反应①且恰好反应时，反应后气体为硫化氢和水，根据反应可知，生成水的体积等于硫化氢的体积，则硫化氢的物质的量为71.4%（x+y），
第二步加入80g氧气（2.5mol）后主要发生反应：2H₂S+3O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2SO₂+2H₂O、S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$SO₂，
第一步反应剩余的硫化氢为（x-2y），发生反应后气体的物质的量减少了：$\frac{1}{2}$（x-2y）mol，根据差量法通入氧气反应结束后气体总物质的量增加了：2.5mol-0.5（x-2y）mol=（1.43-71.4%）（x+y）mol，结合x=71.4%（x+y）解得：x=2.27mol、y=0.907mol；
（二）反应后压强为反应前的66.67%，而实际上为71.4%，反应②的S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$SO₂反应中反应前后气体体积不变，说明参与该反应的氧气占有的压强为：71.4%-66.67%=4.73%，
第二步加入80g氧气（2.5mol）后主要发生反应：S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$SO₂，反应后气体总体积不变，则加入2.5mol氧气引起的压强变化为：1.43-71.4%=0.716，
所以该容器中1mol气体所占有的压强为：$\frac{0.716}{2.5}$=0.2864，
则反应前硫化氢和氧气的总物质的量为：$\frac{1}{0.2864}$mol=3.49mol，
第一步反应过后过量的氧气所占的压强为0.0473，过量的氧气的物质的量为：$\frac{0.0473}{0.2864}$mol=0.165mol，
硫化氢与氧气发生反应2H₂S+O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2S+2H₂O的总物质的量为：3.49mol-0.165mol=3.325mol，其中氧气的物质的量为：3.326mol×$\frac{1}{3}$=1.108mol，硫化氢的物质的量为：3.326mol×$\frac{2}{3}$=2.217mol，
则原混合气体中硫化氢的物质的量为：2.217mol，氧气为：1.108mol+0.165mol=1.273mol，
答：原混合气体中含有2.27mol硫化氢、0.907mol氧气或2.217mol硫化氢、1.273mol氧气．

点评 本题考查了讨论法在化学计算中的应用，题目难度较大，明确发生反应原理为解答关键，注意掌握讨论法在化学计算中的应用方法，试题培养了学生的分析理解能力及化学计算能力．