Question

生态农业涉及农家肥料的综合利用。某种肥料经发酵得到一种含有甲烷、二氧化碳、氮气的混合气体8.96L（标准状况）。该气体通过盛有红色CuO粉末的硬质玻璃管，发生的反应为：CH₄+4CuO CO₂↑+2H₂O↑+4Cu。当甲烷完全反应后，硬质玻璃管的质量减轻了4.8g。将反应后气体通入2L0.lmol/L的澄清Ca(OH）₂溶液，充分吸收，生成沉淀10g。求：

（1）原混合气体中甲烷的体积（标准状况）(写出计算过程）

（2）反应后的气体中CO₂的物质的量可能为___________

（3）原混合气体中氮气的体积为__________。

Answer

（1）1.68L；（2）0.1mol；0.3mol（3）2.24L或6.72L。

【解析】

试题分析：玻璃管内减少的质量是CuO中氧元素的质量，所以n(CuO） = 4.8g ÷ 16 g/mol = 0.3mol，则根据方程式可知n(CH4） = 1/4n(CuO） = 1/4 × 0.3mol = 0.075mol,其体积是V(CH4）=0.075mol×22.4L/mol=1.68L；发生该反应产生的CO2的物质的量与甲烷的物质的量相等，也是0.075mol，将反应后气体通入2L0.lmol/L的澄清Ca(OH）2溶液，充分吸收，生成沉淀10g。n[Ca(OH）2]= 2L×0.lmol/L=0.2mol，反应产生的CaCO3的物质的量是n(CaCO3）=10g÷100g/mol=0.1mol<0.2mol，可能是石灰水过量，二氧化碳不足量，则n(CO2）= n(CaCO3）=0.1mol；也可能是CO2过量，将Ca(OH）2完全发生反应：Ca(OH）2+ CO2=CaCO3↓+H2O，消耗CO20.2mol，产生CaCO30.2mol，然后又发生反应：CaCO3+ CO2+H2O =Ca(HCO3）2，由于最后CaCO3的物质的量是0.1mol，所以发生上述反应消耗CO2的物质的量是0.1mol，则反应后CO2气体的物质的量也可能是0.2mol+0.1mol=0.3mol；（3）若二氧化碳全部转化为CaCO3，生成10g沉淀是CaCO3，碳酸钙的物质的量为：10g÷100g/mol=0.1mol，故反应后的二氧化碳总的物质的量为0.1mol，甲烷反应生成的二氧化碳的物质的量为0.075mol，故原混合气体中二氧化碳的物质的量为0.1mol-0.075mol = 0.025mol，原混合物中CO2的体积为0.025mol×22.4L/mol=0.56L，故原混合气体中氮气的体积为：8.96L-1.68L-0.56L=6.72L；若二氧化碳部分转化为CaCO3，生成10g沉淀是CaCO3，物质的量为0.1mol，根据钙离子守恒可知转化生成的Ca（HCO3）2的物质的量为：2L×0.1mol/L-0.1mol=0.1mol，故反应后的二氧化碳总的物质的量为0.1mol+0.1mol×2=0.3mol，甲烷反应生成的二氧化碳的物质的量为0.075 mol，故原混合气体中二氧化碳的物质的量0.3mol-0.075mol=0.225mol，原混合物中CO2的体积为0.225mol×22.4L/mol=5.04L，故原混合气体中氮气的体积为：8.96L-1.68L-5.04L=2.24L。

【考点定位】考查物质的量在化学反应方程式计算的应用的知识。

【名师点睛】物质在发生化学反应时遵循质量守恒定律，根据反应前后氧元素守恒可确定氧化铜的物质的量，然后根据反应方程式中氧化铜与甲烷反应的物质的量关系可计算出甲烷的物质的量，进而根据物质的量与体积关系式得到甲烷在标准状况下的体积。原混合气体含有二氧化碳，甲烷反应产生二氧化碳，二氧化碳是酸性氧化物，与一定量的碱溶液发生反应，二者物质的量多少不同，发生的反应不同，反应产生的沉淀的物质的量不同。掌握二氧化碳与石灰水反应的物质的量关系判断哪种物质过量，然后以不足量的物质为标准进行计算，可得二氧化碳的物质的量，最后根据混合气体的总物质的量等于各组分的物质的量的和可得氮气的体积。掌握和应用质量守恒定律，判断物质反应的过量关系是本题解答的关键。