Question

2．硫化钠是用于皮革鞣制的重要化学试剂，可用无水芒硝（Na₂SO₄）与炭粉在高温下反应而制得，有关反应原理如下：
①Na₂SO₄+4C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂S+4CO↑；
②Na₂SO₄+4CO$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂S+4CO₂．
（1）现要制取Na₂S 7.80g，若生产过程中无水芒硝（Na₂SO₄）的利用率为90%，则理论上需要无水芒硝（Na₂SO₄）15.78g（精确到0.01）．
（2）若在反应中生成的Na₂S物质的量为1mol，则消耗的碳单质的物质的量（n）的取值范围是2mol≤n≤4mol．
（3）若在上述反应中消耗的碳单质为1mol，生成Na₂S的物质的量为y mol，而反应中生成的CO和CO₂的物质的量之比为x，则y与x的关系式为：y=$\frac{2+x}{4+4x}$；
（4）Na₂S放置在空气中，会缓慢氧化成Na₂SO₃及Na₂SO₄．现称取已经部分氧化的硫化钠样品39.20g溶于水中，加入足量盐酸，充分反应后，过滤得沉淀9.6g，放出H₂S气体1.12L（标准状况）．请计算得出在39.20g样品中各氧化产物的物质的量分别为：n（Na₂SO₃）=0.10mol、n（Na₂SO₄）=0.05mol．

Answer 1

分析 （1）该反应中遵循原子守恒，根据S原子守恒计算无水芒硝的质量；
（2）当完全生成CO时消耗的C物质的量最多，当完全生成二氧化碳时消耗C的物质的量最少，根据极限法分析解答；
（3）计算CO 和 CO₂各自的物质的量，再根据电子转移守恒列等式，确定x 与 y的关系；
（4）Na₂S与Na₂SO₃在酸性条件下发生反应：2Na₂S+Na₂SO₃+3H₂SO₄=3Na₂SO₄+3S↓+3H₂O，故9.6g为硫的质量，放出H₂S气体2.24L，还发生反应H₂SO₄+Na₂S=Na₂SO₄+H₂S↑，根据n=$\frac{m}{M}$计算S的物质的量，进而计算生成S的反应中参加反应的Na₂S、Na₂SO₃各自的物质的量，根据n=$\frac{V}{{V}_{m}}$计算H₂S的物质的量，进而计算与硫酸反应生成H₂S气体需要Na₂SO₃的物质的量，再根据m=nM计算样品中Na₂S、Na₂SO₃各自的质量，继而计算Na₂SO₄的质量，根据n=$\frac{m}{M}$计算Na₂SO₄的物质的量．

解答 解：（1）7.80gNa₂S的物质的量为 $\frac{7.8g}{78g/mol}$=0.1mol，根据硫元素守恒可知，需要无水芒硝的物质的量为$\frac{0.1mol}{90%}$=$\frac{1}{9}$mol，故需要芒硝的质量为$\frac{1}{9}$mol×142g/mol=15.78g，
故答案为：15.78；
（2）若生成的气体为CO，消耗的碳的物质的量最多，由Na₂SO₄+4C$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$Na₂S+4CO↑可知，生成1molNa₂S需要碳的物质的量为mol×4=4mol，若生成的气体为CO₂，消耗的碳的物质的量最少，根据电子转移守恒可知，生成1molNa₂S需要碳的物质的量为 $\frac{1mol×[6-（-2）]}{4}$=2mol，故消耗的碳单质的物质的量 n的范围是2mol≤n≤4mol；
故答案为：2mol≤n≤4mol；
（3）消耗的碳单质为1mol，根据碳原子守恒，生成的 CO 和 CO₂的总物质的量为1mol，生成的CO和CO₂的物质的量之比为x，令CO₂的物质的量为amol，则a+ax=1，故a=$\frac{1}{1+x}$，则CO的物质的量为$\frac{x}{1+x}$，反应生成 Na₂S的物质的量为ymol，根据电子转移守恒有：y×[6-（-2）]=$\frac{1}{1+x}$×4+$\frac{x}{1+x}$×2，整理得y=$\frac{2+x}{4+4x}$，
故答案为：$\frac{2+x}{4+4x}$；
（4）9.6g为硫的物质的量为 $\frac{9.6g}{32g/mol}$=0.3mol，由方程式：2Na₂S+Na₂SO₃+3H₂SO₄=3Na₂SO₄+3S↓+3H₂O可知，参加该反应的Na₂S为0.3mol×$\frac{2}{3}$=0.2mol，Na₂SO₃的物质的量为0.3mol×$\frac{1}{3}$=0.1mol，2.24LH₂S气体的物质的量为 $\frac{11.2L}{22.4L/mol}$=0.05mol，根据反应H₂SO₄+Na₂S=Na₂SO₄+H₂S↑，可知，参加该反应的Na₂S的物质的量为0.05mol，故样品中Na₂SO₄的质量为39.20g-0.1mol×126g/mol-（0.2mol+0.05mol）×78g/mol=7.1g，故Na₂SO₄的物质的量为 $\frac{7.1g}{142g/mol}$=0.05mol，
故78.40g样品中氧化产物：Na₂SO₃为0.2mol，Na₂SO₄为0.1mol，
故答案为：n（Na₂SO₃）=0.10 mol；n（Na₂SO₄）=0.05 mol．

点评 本题考查氧化还原反应有关计算，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，明确各个物理量之间的关系式是解本题关键，注意原子守恒的灵活运用，题目难度中等．