Question

5．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（CH₄）、CO₂、N₂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2L 0.1mol/L的澄清Ca（OH）₂溶液，充分吸收，生成沉淀10g．
（1）原混合气体的物质的量是0.4mol；生成沉淀的摩尔质量是100g/mol．
（2）原混合气体中甲烷的体积是1.68L；求原混合气体中氮气可能的体积2.24L或6.72L．
（3）反应后气体与澄清Ca（OH）₂溶液反应的化学方程式为CO₂+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据n=$\frac{V}{{V}_{m}}$计算混合气体的物质的量；
将反应后气体通入2L 0.1mol/L的澄清Ca（OH）₂溶液，充分吸收，生成沉淀为CaCO₃；
（2）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4.8g，可知减少的质量为氧元素的质量，利用差量法计算甲烷的物质的量，根据V=nVm计算甲烷的体积；若二氧化碳全部转化为CaCO₃，生成10g沉淀是CaCO₃，根据n=$\frac{m}{M}$计算碳酸钙的物质的量，可知反应后的二氧化碳总的物质的量，根据甲烷的物质的量计算反应生成的二氧化碳的物质的量，进而计算原混合气体中二氧化碳的物质的量，再计算原混合物中CO₂的体积，进而计算氮气的体积；
若二氧化碳部分转化为CaCO₃，生成10g沉淀是CaCO₃，根据钙离子守恒可知转化生成的Ca（HCO₃）₂的物质的量，再根据碳元素守恒计算反应后的二氧化碳总的物质的量，减去反应生成的二氧化碳的物质的量即为原混合气体中二氧化碳的物质的量，计算二氧化碳体积，进而计算氮气的体积；
（3）只有二氧化碳与氢氧化钙溶液反应，二者反应生成碳酸钙沉淀和水．

解答 解：（1）混合气体的物质的量为：$\frac{8.96L}{22.4L/mol}$=0.4mol，
设甲烷的物质的量为x，当甲烷完全反应后，硬质玻璃管的质量减轻4.8g，则：
CH₄+4CuO=CO₂+2H₂O+4Cu   质量减轻△m
 1mol                      16×4g
 x                          4.8g，
解得：x=$\frac{4.8g×1mol}{64g}$=0.075mol，
将反应后气体通入2L 0.1mol/L的澄清Ca（OH）₂溶液，充分吸收，生成沉淀为CaCO₃，其摩尔质量为100g/mol，
故答案为：0.4mol；100g/mol；         
（2）原混合气体中甲烷的物质的量为0.075mol，体积为0.075mol×22.4L/mol=1.68L；
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：$\frac{10g}{100g/mol}$=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0.075mol，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，
故答案为：1.68L；2.24L或6.72L；
（3）CH₄、N₂不与氢氧化钙溶液反应，CO₂与澄清Ca（OH）₂溶液反应生成碳酸钙沉淀和水，反应的化学方程式为CO₂+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+H₂O，
故答案为：CO₂+Ca（OH）₂=CaCO₃↓+H₂O．

点评 本题考查了混合物的有关计算，难度中等，（2）注意反应后的二氧化碳不一定完全转化碳酸钙沉淀，可能生成碳酸氢钙，据此讨论计算，试题培养了学生的分析能力及化学计算能力．