Ученик решил выяснить, сколько кислорода
потребуется для сжигания одинаковых объёмов разных газов. Для
проведения опыта он взял по 10 литров метана (CH4), сероводорода
(H2S) и этилена (C2H4) – объём газов был измерен при нормальных
условиях. Вычислите объём затраченного кислорода (при н.у.) в
каждой реакции.
Подчитайте суммарный объём израсходовавшегося кислорода и
рассчитайте число затраченных в этом опыте молекул кислорода.
Примечание: химические уравнения горения соответствующих
газов:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O
2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O

Часть 2. Укажите, какой из исследуемых газов: а) легче воздуха;
б) тяжелее воздуха; в) почти равен средней молекулярной массе
воздуха?
ответ подтвердите расчётом.
Примечание: средняя молекулярная масса воздуха равна 29.

Для решения задачи, определим сначала количество молекул каждого газа, исходя из известного объема газов при н.у. и формулы их расчета.

1. Вычисление количества молекул каждого газа:
- Масса метана (CH4) = (количество газа * молярная масса газа) / объем газа
Молярная масса метана (CH4) = 12.01 g/mol + 4 * 1.01 g/mol = 16.05 g/mol
Масса метана (CH4) = (10 L * 16.05 g/mol) / 22.4 L/mol = 7.17 г
Количество молекул метана (CH4) = 7.17 г / 16.05 g/mol = 0.446 моль

- Масса сероводорода (H2S) = (количество газа * молярная масса газа) / объем газа
Молярная масса сероводорода (H2S) = 1.01 g/mol + 2 * 32.06 g/mol = 34.08 g/mol
Масса сероводорода (H2S) = (10 L * 34.08 g/mol) / 22.4 L/mol = 15.225 г
Количество молекул сероводорода (H2S) = 15.225 г / 34.08 g/mol = 0.447 моль

- Масса этилена (C2H4) = (количество газа * молярная масса газа) / объем газа
Молярная масса этилена (C2H4) = 2 * 12.01 g/mol + 4 * 1.01 g/mol = 28.05 g/mol
Масса этилена (C2H4) = (10 L * 28.05 g/mol) / 22.4 L/mol = 12.543 г
Количество молекул этилена (C2H4) = 12.543 г / 28.05 g/mol = 0.446 моль

2. Вычисление объема затраченного кислорода в каждой реакции:

- Для горения метана (CH4):
Несмотря на то, что объем газов измерен при н.у., для расчета объема затраченного кислорода мы должны использовать коэффициенты стехиометрического уравнения. Из уравнения горения метана видно, что 1 молекула метана требует 2 молекул кислорода:
1 моль метана (CH4) требует 2 моль кислорода (O2)
0.446 моля метана (CH4) требует X моль кислорода (O2)
X = 0.446 моля метана (CH4) * 2 моля кислорода (O2) / 1 моль метана (CH4)
X = 0.892 моля кислорода (O2)
Объем кислорода (O2) при н.у. = X * 22.4 L/mol = 0.892 моль * 22.4 L/mol = 19.98 L

- Для горения этилена (C2H4):
Аналогично, из уравнения горения этилена видно, что 1 молекула этилена требует 3 молекул кислорода:
1 моль этилена (C2H4) требует 3 моль кислорода (O2)
0.446 моля этилена (C2H4) требует X моль кислорода (O2)
X = 0.446 моля этилена (C2H4) * 3 моля кислорода (O2) / 1 моль этилена (C2H4)
X = 1.34 моля кислорода (O2)
Объем кислорода (O2) при н.у. = X * 22.4 L/mol = 1.34 моля * 22.4 L/mol = 29.94 L

- Для горения сероводорода (H2S):
Из уравнения горения сероводорода видно, что 2 молекулы сероводорода требуют 3 молекулы кислорода:
2 моля сероводорода (H2S) требует 3 моля кислорода (O2)
0.447 моля сероводорода (H2S) требует X моль кислорода (O2)
X = 0.447 моля сероводорода (H2S) * 3 моля кислорода (O2) / 2 моля сероводорода (H2S)
X = 0.6705 моля кислорода (O2)
Объем кислорода (O2) при н.у. = X * 22.4 L/mol = 0.6705 моль * 22.4 L/mol = 14.99 L

3. Подсчет суммарного объема израсходованного кислорода и числа молекул кислорода:

Суммарный объем израсходованного кислорода = 19.98 L (для метана) + 29.94 L (для этилена) + 14.99 L (для сероводорода)
Суммарный объем израсходованного кислорода = 64.91 L

Количество молекул кислорода = (суммарный объем израсходованного кислорода * количество молекул в одном литре) / объем одной молекулы кислорода
Количество молекул кислорода = (64.91 L * 6.022 × 10^23 molecules/L) / 22.4 L/mol
Количество молекул кислорода = 1.77 × 10^24 молекулы

4. Определение свойств исследуемых газов:

- Для определения того, какой из газов легче воздуха, нужно сравнить их средние молекулярные массы с молекулярной массой воздуха:
Средняя молекулярная масса метана (CH4) = 16.05 g/mol < средняя молекулярная масса воздуха (29 g/mol)
Средняя молекулярная масса сероводорода (H2S) = 34.08 g/mol > средняя молекулярная масса воздуха (29 g/mol)
Средняя молекулярная масса этилена (C2H4) = 28.05 g/mol < средняя молекулярная масса воздуха (29 g/mol)

a) Метан (CH4) легче воздуха, так как его средняя молекулярная масса меньше средней молекулярной массы воздуха.
b) Сероводород (H2S) тяжелее воздуха, так как его средняя молекулярная масса больше средней молекулярной массы воздуха.
c) Этилен (C2H4) почти равен средней молекулярной массе воздуха, так как его средняя молекулярная масса близка к средней молекулярной массе воздуха.

Путем подсчета и использования стехиометрических уравнений горения газов мы получили объем затраченного кислорода в каждой реакции, суммарный объем израсходованного кислорода и число затраченных в этом опыте молекул кислорода. Также мы определили, какой из исследуемых газов легче воздуха (метан), тяжелее воздуха (сероводород) и почти равен средней молекулярной массе воздуха (этилен).