气体溶于水或溶液的有关计算

气体溶于水或溶液的有关计算 文／廖银燕 气体溶于水或溶液的有关计算是中学化学的重点内容，因其知识面广，综合度高，已成为各级考试的热点，现以典型习题为例作一归类分析，供读者参考。 一、单一气体完全溶于水的计算 单一气体完全溶于水的计算是这类题目的基本题型。其涉及的气体为溶解度极大的气体，如ＨＣｌ、ＮＨ３。在解答充有该气体的容器倒置于水中的有关计算时，要抓住进入容器内水的体积与溶于水的气体体积相等这一解题要点。 例1状况下，用一只充满干燥ＨＣｌ气体的烧瓶倒置在足量的水中，请回答下列问题： （1）能观察到的实验现象是__________。 （2）若烧瓶中溶液未扩散，其物质的量浓度为__________。 分析：（1）ＨＣｌ是一种极易溶于水的气体，当充满ＨＣｌ气体的烧瓶倒置在足量水中时，因ＨＣｌ气体溶于水，导致瓶内气压大幅度下降，在大气压的作用下我们将观察到水逐渐充满整个烧瓶。 （2）设烧瓶的体积为ＶL，由（1）分析可知，ＨＣｌ气体和所得盐酸的体积均等于烧瓶的体积，故有： n（ＨＣｌ）＝（ＶＬ／22．4Ｌ／ｍｏｌ）＝（Ｖ／22．4）ｍｏｌ 　　c（ＨＣｌ）＝（（Ｖ／22．4）mol／ＶＬ） ＝0．045ｍｏｌ／Ｌ 从题解中可以看出，只要所得溶液的体积等于原充入烧瓶的极易溶于水的气体体积，在标准状况下溶液的物质的量浓度都约为0．045ｍｏｌ／Ｌ，而与充入烧瓶的气体体积大小无关。 二、单一气体部分溶于水的计算 气体部分溶于水的情况在中学化学中有两种，一是气体的溶解度不大（例如ＳＯ２等）；二是气体与水反应，生成另一种溶解度较小的气体（例如ＮＯ２等）。解答此类题时应认真审题，理解气体部分溶于水的原因后，再依据题意进行作答。 例2已知： 　4ＮＨ４ＮＯ３3Ｎ２↑＋2ＮＯ２↑＋8Ｈ２Ｏ↑ 现将ＮＨ４ＮＯ３加热并使其完全分解，再将气体产物通入一预先盛有100ｍＬＨ２Ｏ的锥形瓶中，若测得锥形瓶中溶液的密度为1．0ｇ／ｍＬ,c（ＮＯ３－）＝0．1ｍｏｌ／Ｌ，求参加反应的ＮＨ４ＮＯ３的质量。 分析：由题意知，溶液中的ＮＯ３－是ＮＨ４ＮＯ３的分解产物之一ＮＯ２和Ｈ２Ｏ反应的结果。 依方程式3ＮＯ２＋Ｈ２Ｏ=2ＨＮＯ３＋ＮＯ不难知悉，能转化为ＮＯ３－的ＮＯ２仅占其总体积的（2／3）。 设参加反应的ＮＨ４ＮＯ３物质的量为ｘ。 4ＮＨ４ＮＯ３3Ｎ２↑＋2ＮＯ２↑＋8Ｈ２Ｏ↑ ｘ（ｘ／2）2ｘ 溶液的总质量：100ｇ＋2ｘ×18ｇ／ｍｏｌ＋（ｘ／2）×46ｇ／ｍｏｌ －（1／3）×（ｘ／2）×30ｇ／ｍｏｌ ＝100ｇ＋54ｘｇ／ｍｏｌ 溶液的总体积： 　（100ｇ＋54ｘｇ／ｍｏｌ／1．0ｇ／ｍＬ）×10－３Ｌ／ｍＬ 溶液中ＮＯ３－的物质的量： 　ｎ（ＮＯ３－）＝（100ｇ＋54ｘｇ／ｍｏｌ／1．0ｇ／ｍＬ）×10－３Ｌ／ｍＬ×0．1ｍｏｌ／Ｌ＝（2／3）×（ｘ／2） 解得：ｘ=0．031ｍｏｌ 故参加反应的ＮＨ４ＮＯ３的质量为： 0．031ｍｏｌ×80ｇ／ｍｏｌ＝2．48ｇ 三、单一气体溶于有关溶液的计算 有些气体在水中的溶解性不大（例如Ｃｌ２、ＣＯ２等），但却十分易溶于某些溶液（例如ＮａＯＨ溶液等），其原因是气体与溶液中的溶质发生了反应。解答这类题目时应根据题意写出有关的化学方程式后，再结合题给数据列式计算。 例3已知Ｃｌ２在60℃的ＮａＯＨ水溶液中能同时发生两个自身氧化还原反应，反应完全后测得溶液中ＮａＣｌＯ与ＮａＣｌＯ３的物质的量之比为5∶2。现将Ｃｌ２通入到足量的60℃的ＮａＯＨ溶液中，若反应中共有1．5ｍｏｌ电子发生转移且反应后溶液的体积为500ｍＬ。计算各生成物（除Ｈ２Ｏ外）的物质的量浓度。 分析：常温下Ｃｌ２虽溶于水，但溶解度不大，故在实验室中一般选用ＮａＯＨ溶液吸收Ｃｌ２。这是因为ＮａＯＨ溶液能与Ｃｌ２反应，生成ＮａＣｌＯ、ＮａＣｌＯ３、ＮａＣｌ等物质，加大了Ｃｌ２在其中溶解度的缘故。 解答本题的关键是在审清题意的基础上写出有关的反应方程式： 　11Ｃｌ２＋22ＮａＯＨ＝5ＮａＣｌＯ＋2ＮａＣｌＯ３＋15ＮａＣｌ＋11Ｈ２Ｏ 因生成ＮａＣｌ物质的量等于反应中转移的电子的物质的量，根据以上方程式可得： ｃ（ＮａＣｌ）＝（1．5ｍｏｌ／0．5Ｌ）＝3ｍｏｌ／Ｌ ｃ（ＮａＣｌＯ）＝（0．5ｍｏｌ／0．5Ｌ）＝1ｍｏｌ／Ｌ ｃ（ＮａＣｌＯ３）＝（0．2ｍｏｌ／0．5Ｌ）＝0．4ｍｏｌ／Ｌ 四、混合气体溶于水的计算 将水中溶解度不大的数种气体混合后通入水中，若气体的溶解度显著增大，则可判断混合气体与水发生了化学反应，且大多为氧化还原反应。这类题目将基本概念、元素化合物、化学计算等知识融为一体，综合性强，能力要求高，解答时宜采用化大为小，各个击破的解题策略。 例4　将一支充满Ｃｌ２和ＮＯ２混合气体的试管Ａ与另一支充满ＳＯ２和Ｏ２混合气体的试管B同时插入盛有足量水的烧杯中，稍后发现两试管中都充满了溶液。若气体被溶液完全吸收，且最终溶液的总体积为200ｍＬ，其中ｃ（Ｈ＋）＝0．01ｍｏｌ／Ｌ，ｃ（ＮＯ３－）＝0．005ｍｏｌ／Ｌ。求两试管中原混合气体的平均相对分子质量各为多少? 分析：这是一道有新意的题目。解答本题的程序，可从溶质的浓度开始逐渐推出参加反应的各气体的物质的量，再依据平均相对分子质量的定义通过计算获取结果。 由题意知，气体溶于水后发生的化学反应及相关数据为： 4ＮＯ２＋Ｏ２＋2Ｈ２Ｏ4Ｈ＋　＋　　4ＮＯ３－ 　0．001　　0．000　25　　　　　0．001　　0．005×0．2 　Ｃｌ２　　＋ＳＯ２＋2Ｈ２Ｏ4Ｈ＋＋2Ｃｌ－＋ＳＯ４２－ 0．000250．00025　　　　0．01×0．2－0．001 故试管A中混合气体的平均相对分子质量： M１＝（0．001ｍｏｌ×46ｇ／ｍｏｌ＋0．00025ｍｏｌ×71ｇ／ｍｏｌ）／（0．001ｍｏｌ＋0．00025ｍｏｌ） 　　＝51ｇ／ｍｏｌ 试管B中混合气体的平均相对分子质量： 　M２＝（0．000　25ｍｏｌ×32g／ｍｏｌ＋0．000　25ｍｏｌ×64ｇ／ｍｏｌ）／（0．000　25ｍｏｌ＋0．000　25ｍｏｌ）＝48ｇ／ｍｏｌ 五、混合气体溶于有关溶液的计算 这类题目是混合气体溶于水计算的延伸和深化，其不同点是溶液中的溶质参与了反应，由于反应物种类的增加，使反应变得更为复杂多样。在解题时要认真审题，分层思考，以反应物间的定量关系作为解题的突破口。 例5　硝酸工业尾气中的氮氧化物是主要大气污染物之一，其常用的治理方法是用碱液吸收，发生的化学反应有： 　ＮＯ＋ＮＯ２＋2ＮａＯＨ＝2ＮａＮＯ２＋Ｈ２Ｏ 　2ＮＯ２＋2ＮａＯＨ＝ＮａＮＯ２＋ＮａＮＯ３＋Ｈ２Ｏ 若用纯碱溶液替代ＮａＯＨ溶液，反应类似，并有ＣＯ２放出。现有标准状况下含aLＮＯ和bLＮＯ２的工业尾气被cLＮａ２ＣＯ３溶液恰好完全吸收，则a、b应满足的关系是__________，Ｎａ２ＣＯ３溶液的物质的量浓度是__________。 分析：用纯碱溶液吸收ＮＯ、ＮＯ２的反应方程式为： 　2ＮＯ２＋Ｎａ２ＣＯ３＝ＮａＮＯ３＋ＮａＮＯ２＋ＣＯ２ 　ＮＯ２＋ＮＯ＋Ｎａ２ＣＯ３＝2ＮａＮＯ２＋ＣＯ２ 分析上述反应方程式，不难发现，ＮＯ２可单独被Ｎａ２ＣＯ３溶液吸收，而ＮＯ必须与等体积的ＮＯ２混合后才能被Ｎａ２ＣＯ３溶液吸收，据此可知，若尾气能被Ｎａ２ＣＯ３完全吸收，则a∶b≤1。ＮＯ２　　　　　　　　　　　　＋ＮＯ＋　　　　　Ｎａ２ＣＯ３＝2ＮａＮＯ２＋ＣＯ２ （bL／22．4L/mol）（bL／22．4L/mol）（b／22．4）mol 2ＮＯ２　　　＋　　　　Ｎａ２ＣＯ３＝ＮａＮＯ３＋ＮａＮＯ２＋ＣＯ２ （（a-b）L）／22．4L/mol　　（1／2）×（a-b）／22．4mol 故吸收尾气时所需的Ｎａ２ＣＯ３的物质的量为： （b／22．4）mol+（1／2）×（a-b）／22．4mol=（（a+b）／44.8）mol Ｎａ２ＣＯ３物质的量浓度： c（Ｎａ２ＣＯ３）＝（（a+b）／44.8）cmol／Ｌ