题目内容
某化工厂以甲烷为主要原料来制取合成甲醇及合成氨的原料，其主要反应为：CH4（g）+H2O→CO（g）+3H2（g）①（反应中CH4转化率为1）
2CH4（g）+O2（g）→2CO（g）+4H2②（反应中CH4转化率为1）
CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g）（反应中CO转化率为
| 2 |
| 3 |
合成工艺如下：
请回答下列问题（所有气体体积均折算为标准状况）：
（1）若只用反应器①来直接合成甲醇．当充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为672m3和2240m3时，反应剩余物中CO为
（2）若CH4同时和H2O（g）及O2（g）反应，则am3CH4按上述两式完全反应，产物气体的体积V的范围为
（3）若充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为l体积和3体积，反应剩余物中：V（H2）：V（N2）：V（CO）=3：1：1．则充入反应器②的富氧空气（只含N2和O2）的体积为
（4）若将25%的富氧空气、CH4和H2O（g）混合并充分反应，反应的产物中
| n(H2) |
| n(N2) |
考点：化学方程式的有关计算
专题：计算题
分析：（1）根据方程式进行过量计算，根据不足的物质计算生成的CO、氢气的体积，再根据n=
计算；
（2）生成的产物气体为合成氨的原料氢气，只发生反应CH4+H2O （g）→CO+3H2，产物气体的体积最小，只发生CH4+2H2O（g）→CO2+4H2，产物气体的体积最大，据此计算；
（3）根据反应①计算甲烷与水反应生成的CO与氢气体积，设充入反应器②中甲烷体积为V体积，根据反应②表示出甲烷与氧气反应生成的CO与氢气体积，进而计算总的CO、氢气，根据CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g）计算消耗的CO、氢气体积，进而表示出反应剩余物中CO、氢气体积，利用剩余物比例关系列方程，再计算富氧空气中氧气体积、剩余物中氮气体积，进而计算富氧空气的体积及富氧空气中氧气体积分数；
（4）设富氧空气为1mol，则氧气为0.25mol，氮气为1mol-0.25mol=0.75mol，令水的物质的量为ymol，根据反应①、②计算出反应生成氢气的物质的量，根据氢气与氮气的物质的量之比列方程，据此计算解答．
| m |
| M |
（2）生成的产物气体为合成氨的原料氢气，只发生反应CH4+H2O （g）→CO+3H2，产物气体的体积最小，只发生CH4+2H2O（g）→CO2+4H2，产物气体的体积最大，据此计算；
（3）根据反应①计算甲烷与水反应生成的CO与氢气体积，设充入反应器②中甲烷体积为V体积，根据反应②表示出甲烷与氧气反应生成的CO与氢气体积，进而计算总的CO、氢气，根据CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g）计算消耗的CO、氢气体积，进而表示出反应剩余物中CO、氢气体积，利用剩余物比例关系列方程，再计算富氧空气中氧气体积、剩余物中氮气体积，进而计算富氧空气的体积及富氧空气中氧气体积分数；
（4）设富氧空气为1mol，则氧气为0.25mol，氮气为1mol-0.25mol=0.75mol，令水的物质的量为ymol，根据反应①、②计算出反应生成氢气的物质的量，根据氢气与氮气的物质的量之比列方程，据此计算解答．
解答：
解：（1）计算672m3甲烷完全反应需要水蒸气体积：
CH4（g）+H2O=CO（g）+3H2（g）
672m3 672m3，
故水蒸气过量，则：
CH4（g）+H2O=CO（g）+3H2（g）
672m3 672m3 3×672m3
故CO的物质的量=
=3×104mol，故氢气的物质的量=
=9×104mol，
反应中CO转化率为
，则参加反应的CO为3×104mol×
=2×104mol，则：
CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g）
2×104mol 4×104mol
故剩余CO物质的量=3×104mol-2×104mol=1×104mol，
剩余氢气的物质的量=9×104mol-4×104mol=5×104mol，
故答案为：1×104；5×104；
（2）生成的产物气体为合成氨的原料氢气，
只发生反应CH4+H2O （g）→CO+3H2，产物气体的体积最小，由方程式可知，am3CH4完全反应，生成氢气的体积=3am3，
只发生CH4+2H2O（g）→CO2+4H2，产物气体的体积最大，由方程式可知，am3CH4完全反应，生成氢气的体积=4am3，
故产物气体的体积V的范围为：3am3＜V＜4am3，
故答案为：3am3＜V＜4am3；
（3）设充入反应器②中甲烷体积为V体积，则：
CH4（g）+H2O→CO（g）+3H2（g）
1体积 1体积 3体积
2CH4（g）+O2（g）→2CO（g）+4H2
V体积 0.5V体积 V体积 2V体积
由CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g）（反应中CO转化率为
）可知，消耗的CO为
（1+V）体积，消耗氢气为
（1+V）体积，
故：反应剩余物中CO为
（1+V）体积，氢气为：3体积+2V体积-
（1+V）体积=
（5+2V）体积，
则
（5+2V）：
（1+V）=3：1，解得V=2，
富氧空气中氧气体积=2体积×0.5=1体积，剩余中氮气为
（1+V）体积=
（1+2）=1体积，故需要富氧空气的体积为1体积+1体积=2体积，则富氧空气中氧气体积分数为=
×100%=50%，
故答案为：2体积；50%；
（4）设富氧空气为1mol，则氧气为0.25mol，氮气为1mol-0.25mol=0.75mol，令水的物质的量为ymol，则：
CH4（g）+H2O→CO（g）+3H2（g）
ymol ymol 3ymol
2CH4（g）+O2（g）→2CO（g）+4H2
0.25mol 0.5mol 1mol
则（3y+1）mol：0.75mol=3：1，解得y=
，
则反应中的H2O（g）和富氧空气的物质的量之比为
mol：1mol=
，
故答案为：
．
CH4（g）+H2O=CO（g）+3H2（g）
672m3 672m3，
故水蒸气过量，则：
CH4（g）+H2O=CO（g）+3H2（g）
672m3 672m3 3×672m3
故CO的物质的量=
| 672×103L |
| 22.4L/mol |
| 3×672×103 |
| 22.4L/mol |
反应中CO转化率为
| 2 |
| 3 |
| 2 |
| 3 |
CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g）
2×104mol 4×104mol
故剩余CO物质的量=3×104mol-2×104mol=1×104mol，
剩余氢气的物质的量=9×104mol-4×104mol=5×104mol，
故答案为：1×104；5×104；
（2）生成的产物气体为合成氨的原料氢气，
只发生反应CH4+H2O （g）→CO+3H2，产物气体的体积最小，由方程式可知，am3CH4完全反应，生成氢气的体积=3am3，
只发生CH4+2H2O（g）→CO2+4H2，产物气体的体积最大，由方程式可知，am3CH4完全反应，生成氢气的体积=4am3，
故产物气体的体积V的范围为：3am3＜V＜4am3，
故答案为：3am3＜V＜4am3；
（3）设充入反应器②中甲烷体积为V体积，则：
CH4（g）+H2O→CO（g）+3H2（g）
1体积 1体积 3体积
2CH4（g）+O2（g）→2CO（g）+4H2
V体积 0.5V体积 V体积 2V体积
由CO（g）+2H2（g）→CH3OH（g）（反应中CO转化率为
| 2 |
| 3 |
| 2 |
| 3 |
| 4 |
| 3 |
故：反应剩余物中CO为
| 1 |
| 3 |
| 4 |
| 3 |
| 1 |
| 3 |
则
| 1 |
| 3 |
| 1 |
| 3 |
富氧空气中氧气体积=2体积×0.5=1体积，剩余中氮气为
| 1 |
| 3 |
| 1 |
| 3 |
| 1 |
| 1+1 |
故答案为：2体积；50%；
（4）设富氧空气为1mol，则氧气为0.25mol，氮气为1mol-0.25mol=0.75mol，令水的物质的量为ymol，则：
CH4（g）+H2O→CO（g）+3H2（g）
ymol ymol 3ymol
2CH4（g）+O2（g）→2CO（g）+4H2
0.25mol 0.5mol 1mol
则（3y+1）mol：0.75mol=3：1，解得y=
| 5 |
| 12 |
则反应中的H2O（g）和富氧空气的物质的量之比为
| 5 |
| 12 |
| 5 |
| 12 |
故答案为：
| 5 |
| 12 |
点评：本题以化学工业生产工艺流程为载体，考查根据方程式的计算、混合物计算，题目过程复杂、计算量大，对学生的心理由较高的要求，需要学生充分理解问题描述意图，为易错题目，难度很大．
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