Question

14．CO₂是重要的化工原料，也是应用广泛的化工产品．CO₂与过氧化钠或超氧化钾反应可产生氧气．
完成下列计算：
（1）CO₂通入氨水生成NH₄HCO₃，NH₄HCO₃很容易分解．2.00mol NH₄HCO₃完全分解，分解产物经干燥后的体积为89.6L（标准状况）．
（2）某H₂中含有2.40molCO₂，该混合气体通入2.00L NaOH溶液中，CO₂被完全吸收．如果NaOH完全反应，该NaOH溶液的浓度为2.4mol/L≥c≥1.2mol/L．
（3）CO₂和KO₂有下列反应：
4KO₂+2CO₂→2K₂CO₃+3O₂
4KO₂+4CO₂+2H₂O→4KHCO₃+3O₂
若9mol CO₂在密封舱内和KO₂反应后生成9mol O₂，则反应前密封舱内H₂O的量应该是多少？列式计算．
（4）甲烷和水蒸气反应的产物是合成甲醇的原料：CH₄+H₂O$→_{△}^{催化剂}$CO+3H₂
已知：CO+2H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₃OH   CO₂+3H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₃OH+H₂O
300mol CH₄完全反应后的产物中，加入100mol CO₂后合成甲醇．若获得甲醇350mol，残留氢气120mol，计算CO₂的转化率．

Answer 1

分析 （1）NH₄HCO₃完全分解生成NH₃、CO₂，方程式为NH₄HCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH₃↑+CO₂↑+H₂O，2molNH₄HCO₃可生成4mol气体；
（2）2.40molCO₂与NaOH完全反应，产物可能为Na₂CO₃或NaHCO₃或二者都有，结合质量守恒解答；
（3）9 mol CO₂在密封舱内和KO₂反应后生成9 mol O₂，即n（CO₂）：n（O₂）=1：1，当把两个方程式相加得到8KO₂+6CO₂+2H₂O→2K₂CO₃+4KHCO₃+6O₂，根据方程式计算消耗水的量；
（4）甲烷完全反应生成CO和氢气，根据反应CO+2H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₃OH、CO₂+3H₂$→_{△}^{催化剂}$CH₃OH+H₂O设CO₂的转化率为α，CO的转化率为β，结合质量守恒可计算转化率；或根据氢元素守恒计算．

解答 解：（1）NH₄HCO₃完全分解生成NH₃、CO₂，方程式为NH₄HCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH₃↑+CO₂↑+H₂O，分解后水为液态，则2molNH₄HCO₃可生成4mol气体，体积为4mol×22.4L/mol=89.6L，故答案为：89.6；
（2）2.40molCO₂与NaOH完全反应，产物可能为Na₂CO₃或NaHCO₃或二者都有，
假设全部生成生成NaHCO₃，则发生CO₂+NaOH=NaHCO₃，n（NaOH）=n（CO₂）=2.40mol，则c（NaOH）=$\frac{2.4mol}{2.00L}$=1.20mol/L；
假设全部生成，则发生CO₂+2NaOH=Na₂CO₃，n（NaOH）=2n（CO₂）=4.80mol，则c（NaOH）=$\frac{4.80mol}{2.00L}$=2.40mol/L；
综合以上两种情况可知，NaOH溶液的浓度应该1.20mol/L≤c（NaOH）≤2.40mol/L．
故答案为：2.4 mol/L≥c≥1.2  mol/L；
（3）可用两种方法解答：
方法一：依题意，9 mol CO₂在密封舱内和KO₂反应后生成9 mol O₂，即n（CO₂）：n（O₂）=1：1，通过观察题给两个方程式可知，当把两个方程式相加时正好符合题目要求：8KO₂+6CO₂+2H₂O→2K₂CO₃+4KHCO₃+6O₂
所以有n（H₂O）=$\frac{1}{3}$n（CO₂）=$\frac{1}{3}$×9mol=3mol，即反应前密封舱内H₂O的物质的量为3mol，
方法二：设反应前密封舱内H₂O的物质的量为n
        4KO₂+4CO₂+2H₂O→4KHCO₃+3O₂
        2n         n             1.5n
         4KO₂+2CO₂→2K₂CO₃+3O₂
       9-2n           1.5（9-2n）
根据题意生成氧气9mol，所以有1.5n+1.5（9-2n）=9mol，解得n=3mol，即反应前密封舱内H₂O的物质的量为3mol．
答：反应前密封舱内H₂O的量应该是3mol；
（4）方法一：
   CH₄+H₂O→CO+3H₂
300mol    300mol   900mol
设CO₂的转化率为α，CO的转化率为β
     CO+2H₂→CH₃OH                        CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O
300βmol  600βmol  300βmol           100αmol    300αmol  100αmol
根据题意，共生成350mol甲醇，所以有300βmol+100αmol=350mol-------①
根据题意，反应后残留氢气120mol，则实际参加反应的氢气为900mol-120mol，所以有
600βmol+300αmol=900mol-120mol--------②
由①②式可得α=0.8，即设CO₂的转化率为80%．
方法二：
在合成甲醇的反应中，氢元素在生成物中有两种存在形式，一是存在于甲醇中，二是存在于水中，设CO₂的转化率为α，
CH₄+H₂O→CO+3H₂
300mol    900mol
CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O
100amol       100amol
根据题意，反应后残留氢气120mol，则实际参加反应的氢气为900mol-120mol，根据反应中氢元素的守恒可有900mol-120mol=350mol×2+100amol，
解得a=0.8，
即设CO₂的转化率为80%，
答：CO₂的转化率为80%．

点评 本题考查化学方程式的计算，综合考查学生的分析、计算能力，题目用到端值法和守恒法，难度较大，易错点为（4）答题时注意体会．