Question

某化工廠以甲烷為主要原料來(lái)制取合成甲醇及合成氨的原料，其主要反應(yīng)為：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）①（反應(yīng)中CH₄轉(zhuǎn)化率為1）
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂②（反應(yīng)中CH₄轉(zhuǎn)化率為1）
CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）（反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化率為

2

3

）
合成工藝如下：
請(qǐng)回答下列問(wèn)題（所有氣體體積均折算為標(biāo)準(zhǔn)狀況）：
（1）若只用反應(yīng)器①來(lái)直接合成甲醇．當(dāng)充入反應(yīng)器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為672m³和2240m³時(shí)，反應(yīng)剩余物中CO為

 

mol、H₂為

 

mol；
（2）若CH₄同時(shí)和H₂O（g）及O₂（g）反應(yīng)，則am³CH₄按上述兩式完全反應(yīng)，產(chǎn)物氣體的體積V的范圍為

 

．
（3）若充入反應(yīng)器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為l體積和3體積，反應(yīng)剩余物中：V（H₂）：V（N₂）：V（CO）=3：1：1．則充入反應(yīng)器②的富氧空氣（只含N₂和O₂）的體積為

 

；富氧空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為

 

．
（4）若將25%的富氧空氣、CH₄和H₂O（g）混合并充分反應(yīng)，反應(yīng)的產(chǎn)物中

n(H2)

n(N2)

=3：1，來(lái)合成氨氣，則反應(yīng)中的H₂O（g）和富氧空氣的物質(zhì)的量之比為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)方程式的有關(guān)計(jì)算

專(zhuān)題：計(jì)算題

分析：（1）根據(jù)方程式進(jìn)行過(guò)量計(jì)算，根據(jù)不足的物質(zhì)計(jì)算生成的CO、氫氣的體積，再根據(jù)n=

m

M

計(jì)算；
（2）生成的產(chǎn)物氣體為合成氨的原料氫氣，只發(fā)生反應(yīng)CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，產(chǎn)物氣體的體積最小，只發(fā)生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，產(chǎn)物氣體的體積最大，據(jù)此計(jì)算；
（3）根據(jù)反應(yīng)①計(jì)算甲烷與水反應(yīng)生成的CO與氫氣體積，設(shè)充入反應(yīng)器②中甲烷體積為V體積，根據(jù)反應(yīng)②表示出甲烷與氧氣反應(yīng)生成的CO與氫氣體積，進(jìn)而計(jì)算總的CO、氫氣，根據(jù)CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）計(jì)算消耗的CO、氫氣體積，進(jìn)而表示出反應(yīng)剩余物中CO、氫氣體積，利用剩余物比例關(guān)系列方程，再計(jì)算富氧空氣中氧氣體積、剩余物中氮?dú)怏w積，進(jìn)而計(jì)算富氧空氣的體積及富氧空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)；
（4）設(shè)富氧空氣為1mol，則氧氣為0.25mol，氮?dú)鉃?mol-0.25mol=0.75mol，令水的物質(zhì)的量為ymol，根據(jù)反應(yīng)①、②計(jì)算出反應(yīng)生成氫氣的物質(zhì)的量，根據(jù)氫氣與氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量之比列方程，據(jù)此計(jì)算解答．

解答： 解：（1）計(jì)算672m³甲烷完全反應(yīng)需要水蒸氣體積：
CH₄（g）+H₂O=CO（g）+3H₂（g）
672m³   672m³，
故水蒸氣過(guò)量，則：
CH₄（g）+H₂O=CO（g）+3H₂（g）
672m³       672m³    3×672m³
故CO的物質(zhì)的量=

672×103L

22.4L/mol

=3×10⁴mol，故氫氣的物質(zhì)的量=

3×672×103

22.4L/mol

=9×10⁴mol，
反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化率為

2

3

，則參加反應(yīng)的CO為3×10⁴mol×

2

3

=2×10⁴mol，則：
    CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）
2×10⁴mol   4×10⁴mol
故剩余CO物質(zhì)的量=3×10⁴mol-2×10⁴mol=1×10⁴mol，
剩余氫氣的物質(zhì)的量=9×10⁴mol-4×10⁴mol=5×10⁴mol，
故答案為：1×10⁴；5×10⁴；
（2）生成的產(chǎn)物氣體為合成氨的原料氫氣，
只發(fā)生反應(yīng)CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，產(chǎn)物氣體的體積最小，由方程式可知，am³CH₄完全反應(yīng)，生成氫氣的體積=3am³，
只發(fā)生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，產(chǎn)物氣體的體積最大，由方程式可知，am³CH₄完全反應(yīng)，生成氫氣的體積=4am³，
故產(chǎn)物氣體的體積V的范圍為：3am³＜V＜4am³，
故答案為：3am³＜V＜4am³；
（3）設(shè)充入反應(yīng)器②中甲烷體積為V體積，則：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）
1體積       1體積    3體積
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂
V體積  0.5V體積   V體積    2V體積
由CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）（反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化率為

2

3

）可知，消耗的CO為

2

3

（1+V）體積，消耗氫氣為

4

3

（1+V）體積，
故：反應(yīng)剩余物中CO為

1

3

（1+V）體積，氫氣為：3體積+2V體積-

4

3

（1+V）體積=

1

3

（5+2V）體積，
則

1

3

（5+2V）：

1

3

（1+V）=3：1，解得V=2，
富氧空氣中氧氣體積=2體積×0.5=1體積，剩余中氮?dú)鉃?span id="2lo936s" class="MathJye" mathtag="math" style="whiteSpace:nowrap;wordSpacing:normal;wordWrap:normal">

1

3

（1+V）體積=

1

3

（1+2）=1體積，故需要富氧空氣的體積為1體積+1體積=2體積，則富氧空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為=

1

1+1

×100%=50%，
故答案為：2體積；50%；
（4）設(shè)富氧空氣為1mol，則氧氣為0.25mol，氮?dú)鉃?mol-0.25mol=0.75mol，令水的物質(zhì)的量為ymol，則：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）
       ymol  ymol   3ymol
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂
        0.25mol  0.5mol   1mol
則（3y+1）mol：0.75mol=3：1，解得y=

5

12

，
則反應(yīng)中的H₂O（g）和富氧空氣的物質(zhì)的量之比為

5

12

mol：1mol=

5

12

，
故答案為：

5

12

．

點(diǎn)評(píng)：本題以化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)工藝流程為載體，考查根據(jù)方程式的計(jì)算、混合物計(jì)算，題目過(guò)程復(fù)雜、計(jì)算量大，對(duì)學(xué)生的心理由較高的要求，需要學(xué)生充分理解問(wèn)題描述意圖，為易錯(cuò)題目，難度很大．