生态农业中农家肥料综合利用的化学解题秘籍

在探讨生态农业与农家肥料的综合利用时，我们不可避免地要深入到化学的层面，理解肥料成分、化学反应及其在土壤中的应用。以下是一个综合性的化学题解答示例，旨在帮助读者更好地理解这一领域。

生态农业强调可持续性、资源高效利用和环境友好，农家肥料作为其核心组成部分，不仅提供了作物所需的营养，还促进了土壤的健康。以下是一道关于农家肥料综合利用的化学题及其详细解答，希望能为您揭示这一领域的奥秘。

题目

某种农家肥料经发酵后得到一种含有甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）、氮气（N₂）的混合气体。在标准状况下，2.24L该气体通过盛有红色CuO粉末的硬质玻璃管，发生反应：CH₄ + 4CuO → CO₂ + 2H₂O + 4Cu。当甲烷完全反应后，硬质玻璃管的质量减轻了4.8g。随后，将反应后气体通入过量的澄清石灰水中，充分吸收后生成沉淀。请计算并回答以下问题：

1. 参加反应的甲烷的物质的量。

2. 原混合气体中甲烷和二氧化碳的体积比。

3. 原混合气体中氮气的质量。

解答

1. 参加反应的甲烷的物质的量

首先，我们需要计算标准状况下2.24L气体的总物质的量。在标准状况下（0°C，1 atm），1摩尔气体的体积为22.4升。因此，2.24L气体的物质的量为：

n_{total} = \frac{2.24L}{22.4L/mol} = 0.1mol

接着，根据反应方程式CH₄ + 4CuO → CO₂ + 2H₂O + 4Cu，我们知道每1摩尔甲烷会消耗4摩尔CuO，导致硬质玻璃管质量减轻（因为失去了氧元素）。题目中提到硬质玻璃管的质量减轻了4.8g，这部分减轻的质量全部来自CuO中的氧元素。

CuO中氧元素的质量分数为\frac{16}{80} = 0.2，因此参加反应的CuO的物质的量为：

n(CuO) = \frac{4.8g}{0.2 \times 80g/mol} = 0.3mol

由于反应方程式中甲烷与CuO的物质的量之比为1:4，所以参加反应的甲烷的物质的量为：

n(CH₄) = \frac{1}{4} \times n(CuO) = \frac{1}{4} \times 0.3mol = 0.075mol

2. 原混合气体中甲烷和二氧化碳的体积比

根据反应方程式，每1摩尔甲烷会生成1摩尔二氧化碳。因此，由甲烷生成的二氧化碳的物质的量为0.075mol。

将反应后气体通入过量的澄清石灰水中，生成的沉淀为CaCO₃，质量为9g。CaCO₃的摩尔质量为100g/mol，所以生成的CO₂的物质的量为：

n(CO₂)_{total\_after\_reaction} = n(CaCO₃) = \frac{9g}{100g/mol} = 0.09mol

由于这部分CO₂中包含了由甲烷生成的0.075mol CO₂和原混合气体中的CO₂，因此原混合气体中CO₂的物质的量为：

n(CO₂)_{original} = n(CO₂)_{total\_after\_reaction} - n(CO₂)_{from\_CH₄} = 0.09mol - 0.075mol = 0.015mol

因此，原混合气体中甲烷和二氧化碳的体积比为（在相同温度和压力下，气体的体积比等于其物质的量比）：

V(CH₄) : V(CO₂) = n(CH₄) : n(CO₂)_{original} = 0.075mol : 0.015mol = 5 : 1

3. 原混合气体中氮气的质量

原混合气体的总物质的量为0.1mol，其中甲烷的物质的量为0.075mol，二氧化碳的物质的量为0.015mol，因此氮气的物质的量为：

n(N₂) = n_{total} - n(CH₄) - n(CO₂)_{original} = 0.1mol - 0.075mol - 0.015mol = 0.01mol

氮气的摩尔质量为28g/mol，所以氮气的质量为：

m(N₂) = n(N₂) \times 28g/mol = 0.01mol \times 28g/mol = 0.28g

总结

通过上述计算，我们得出以下结论：

参加反应的甲烷的物质的量为0.075mol。

原混合气体中甲烷和二氧化碳的体积比为5:1。

原混合气体中氮气的质量为0.28g。

这道题目不仅考察了基本的化学计算技能，还涉及了生态农业中农家肥料的化学组成及其在土壤中的反应机制。农家肥料经发酵后产生的混合气体，通过与CuO的反应，不仅揭示了其成分，还展示了生态农业中化学过程的重要性。

在生态农业实践中，农家肥料的综合利用不仅提高了资源的利用效率，还减少了化学肥料的依赖，有利于维护土壤健康和生态平衡。通过深入理解这些化学过程，我们可以更好地指导生态农业的实践，促进农业的可持续发展。

通过以上解答，希望读者能对生态农业中农家肥料的综合利用及其化学过程有更深入的理解。这不仅有助于提升农业生产的效率和质量，还能为保护环境和促进可持续发展做出贡献。