Question

4．如图，一密闭气缸被一不漏气可滑动的活塞隔成两部分，左室充有氮气，右室充有混合气体．在室温下将右室的气体点燃，反应后冷却至原室温，活塞最终静止于气缸的某一点（液体体积忽略不计）．
（1）若右室反应前充有H₂和Cl₂，点燃后恰好完全反应生成HCl气体，冷却至原室温，活塞最终静止于气缸1处；（填“1”、“2”、“3”、“4”或者“0-1”、“1-2”、“2-3”、“3-4”）
（2）若右室反应前充有H₂和O₂（H₂和O₂的物质的量比为2：1），点燃后完全反应，冷却至原室温，活塞最终静止于气缸4处；
（3）若右室反应前充有H₂和O₂，点燃后完全反应，冷却至原室温，活塞最终静止于气缸的“2”处，则原来H₂和O₂的物质的量之比可能是多少？（请写出解题过程）

Answer 1

分析 （1）左室中氮气的物质的量不变，令开始氮气的物质的量为1mol，左右两室压强相同，体积之比等于物质的量之比，则由图反应前混合气体的总物质的量为3mol，而氢气和氯气反应的方程式可知：H₂+Cl₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2HCl，可知反应前后气体的物质的量不变；
（2）由反应方程式可知：2H₂+O₂=2H₂O，而 H₂和O₂的物质的量比为2：1，所以两者恰好完全反应室温下生成液态水，所以右边的气体体积为0，由此分析解答；（3）若右室反应前充有H₂和O₂，点燃后完全反应，冷却至原室温，活塞最终静止于气缸的“2”处，说明右混合气体反应后剩余1mol，气体的物质的量减少3mol-1mol=2mol，根据差量法计算，原混合气体中氢气、氧气的物质的量，进而计算体积比．

解答 解：（1）左室中氮气的物质的量不变，令开始氮气的物质的量为1mol，左右两室压强相同，体积之比等于物质的量之比，则由图反应前混合气体的总物质的量为3mol，而氢气和氯气反应的方程式可知：H₂+Cl₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2HCl，可知反应前后气体的物质的量不变，所以活塞最终静止于气缸1处，故答案为：1；
（2）由反应方程式可知：2H₂+O₂=2H₂O，而 H₂和O₂的物质的量比为2：1，所以两者恰好完全反应室温下生成液态水，所以右边的气体体积为0，所以活塞最终静止于气缸4处，故答案为：4；
（3）2H₂ +O₂=2H₂O  气体物质的量减少△n
     2    1           3
    $\frac{4}{3}$ml  $\frac{2}{3}$mol       3mol-1mol=2mol
若剩余气体为氢气，则原混合气体中氧气为$\frac{2}{3}$mol，则氢气为3mol-$\frac{2}{3}$mol=$\frac{7}{3}$mol，H₂和O₂的体积比为$\frac{7}{3}$mol：$\frac{2}{3}$mol=7：2，
若剩余气体是氧气，则原混合气体中氢气为$\frac{4}{3}$mol，则氢气为3mol-$\frac{4}{3}$mol=$\frac{5}{3}$mol，H₂和O₂的体积比为$\frac{4}{3}$mol：$\frac{5}{3}$mol=4：5，
答：原来H₂和O₂的物质的量之比可能是4：5和7：2．

点评 本题考查化学计算、阿伏伽德罗定律等，难度中等，根据左室氮气的物质的量利用体积判断右室气体的物质的量是关键．