Вопрос школьника
После сжигания 73,6 г халькопирита CuFeS2 в 400 л воздуха (н. у.) образовались сульфид меди(I), оксид железа (III), сернистый газ. Определите процентный состав образовавшейся газовой смеси.
Ответ от учителя
Для решения задачи необходимо сначала записать уравнение реакции сжигания халькопирита:
CuFeS2 + 4O2 → Cu2S + 2Fe2O3 + 4SO2
Из уравнения видно, что при сжигании 1 моль халькопирита образуется 4 моля сернистого газа (SO2). Таким образом, для определения количества образовавшегося SO2 необходимо вычислить количество молей халькопирита, которое было сожжено.
Масса халькопирита, сжигаемого в реакции, равна 73,6 г. Молярная масса CuFeS2 равна 183,5 г/моль (63,5 г/моль для меди, 55,8 г/моль для железа и 64 г/моль для серы). Следовательно, количество молей халькопирита можно вычислить по формуле:
n = m/M = 73,6 г / 183,5 г/моль ≈ 0,401 моль
Таким образом, при сжигании 73,6 г халькопирита образуется 4 × 0,401 ≈ 1,604 моль SO2.
Для определения процентного состава газовой смеси необходимо вычислить долю каждого газа в общем объеме газовой смеси. Объем газов можно вычислить по уравнению состояния идеального газа:
V = nRT/P
где V — объем газа, n — количество молей газа, R — универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/(моль·К)), T — температура газа в Кельвинах, P — давление газа в Паскалях.
Для расчета объема газовой смеси необходимо знать давление и температуру газов. В условии задачи указано, что газы находятся в нормальных условиях (н. у.), что означает, что давление равно 101,3 кПа, а температура равна 273 К.
Таким образом, объем газовой смеси можно вычислить по формуле:
V = nRT/P = (1,604 моль × 8,31 Дж/(моль·К) × 273 К) / 101,3 кПа ≈ 35,5 л
Для определения доли каждого газа в газовой смеси необходимо вычислить количество молей каждого газа. Из уравнения реакции видно, что при сжигании 1 моль халькопирита образуется 4 моля SO2. Следовательно, количество молей SO2 в газовой смеси равно:
n(SO2) = 4 × n(CuFeS2) = 4 × 0,401 моль ≈ 1,604 моль
Аналогично, количество молей кислорода (O2) в газовой смеси равно:
n(O2) = 4 × n(CuFeS2) = 4 × 0,401 моль ≈ 1,604 моль
Количество молей азота (N2) в газовой смеси можно вычислить как разность между общим количеством молей газов и количеством молей SO2 и O2:
n(N2) = n(общ) — n(SO2) — n(O2) = (P·V)/(RT) — 1,604 моль — 1,604 моль
n(N2) = (101,3 кПа × 35,5 л) / (8,31 Дж/(моль·К) × 273 К) — 1,604 моль — 1,604 моль ≈ 29,7 моль
Таким образом, доля каждого газа в газовой смеси равна:
— SO2: (1,604 моль / 32,06 г/моль) × 100% ≈ 5,0%
— O2: (1,604 моль / 32,00 г/моль) × 100% ≈ 5,0%
— N2: (29,7 моль / 28,01 г/моль) × 100% ≈ 94,9%
Ответ: газовая смесь, образовавшаяся при сжигании 73,6 г халькопирита, состоит примерно из 5,0% сернистого газа (SO2), 5,0% кислорода (O2) и 94,9% азота (N2).
