Question

（2012?閘北區二模）合成氨的原料氣之一氫氣可由天然氣（甲烷）與水蒸汽在一定條件下反應制得：
CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂①；    CO+H₂O （g）→CO₂+H₂②
CO和CO₂都可以合成甲醇：
CO+2H₂→CH₃OH  ③；        CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O  ④
（1）1m³CH₄與足量水蒸氣反應，理論上最多可制得同溫同壓下的H₂

4

m³；現有100mol CH₄，與水蒸汽充分反應產生的CO和CO₂的體積比為3：1，則此時產生的氣體（不含CH₄）中H₂有

325

mol；若以150L CH₄和H₂O的混合氣體為原料，制備CO、CO₂和H₂混合氣體，當CH₄和H₂O均完全反應后，在相同條件下反應后氣體的體積為

250L＜v＜300L

 （寫范圍）．
（2）若反應①的氣體產物共為V₁L，則合成甲醇時H₂過量0.25V₁L；反應②的氣體產物共為V₂L，則合成甲醇時H₂不足（H₂少V₂L）．為了充分利用原料，可將兩個反應的產物混合使用，則V₁與V₂最佳比例為

4：1

．
（3）若以CH₄、CO、H₂O混合氣體為原料氣在一定條件下充分反應，所得氣體用以合成甲醇，為使原子利用率都達到100%，則CH₄、CO、H₂O的最佳配比為

1：2：1

．
（4）為了充分利用原料，合成氨廠也可同時生產甲酸和甲醇．有關反應式為：
2CH₄+O₂→2CH₃OH  ⑤；    CO₂+H₂→HCOOH  ⑥；
由空氣制得的液態氮和液態氧的物質的量之比為4：1，若充分利用液態氮以及CH₄與足量水蒸氣反應產生的物質，每生產80mol NH₃（設水氣足量），得到20mol HCOOH，試計算同時可得到CH₃OH的物質的量．

Answer 1

分析：（1）反應①+反應②可得CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，據此方程式利用體積之比等于化學計量數之比計算；
根據甲烷的物質的量計算CO和CO₂的各自物質的量，再根據方程式：CH₄+H₂O（g）→CO+3H₂，CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，計算生成的氫氣的物質的量；
假定只發生反應CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，生成的混合氣體的體積最大，假定只發生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，生成的混合氣體的體積最小，據此計算；
（2）根據反應②計算V₂L氣體中CO₂、H₂的體積，反應③合成甲醇剩余的氫氣，與反應②生成的混合氣體恰好發生反應④，據此計算；
（3）使原子利用率都達到100%，根據原子守恒，由甲醇的分子式可知，則混合氣體中n（C）：n（H）：n（O）=1：4：1，據此計算；
（4）生成80molNH₃，則氮氣為40mol，氧氣為10mol．設CH₄為x mol，H₂O為y mol，CH₃OH為z mol；根據碳元素守恒得：x=20+z；根據氫元素守恒得：4x+2y=240+40+4z； 根據氧元素守恒得：20+y=40+z，據此解答．

解答：解：（1）反應①+反應②可得CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，由方程式可知，1m³CH₄與足量水蒸氣反應，理論上最多可制得同溫同壓下的H₂體積1m³×4=4m³，
100molCH₄與水蒸汽充分反應產生的CO和CO₂的體積比為3：1，則CO的物質的量為100mol×

3

4

=75mol，CO₂的物質的量為100mol-75mol=25mol，由CH₄+H₂O（g）→CO+3H₂可知，生成氫氣物質的量為75mol×3=225mol，由CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂可知，生成的氫氣的物質的量為25mol×4=100mol，故生成氫氣總物質的量為225mol+100mol=325mol，
假定只發生反應CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，生成的混合氣體的體積最大，最大體積為150L×

4

2

=300L，假定只發生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，生成的混合氣體的體積最小，最小體積為150L×

5

2

=250L，故反應后氣體的體積為：250L＜v＜300L，
故答案為：4；325；250L＜v＜300L；
（2）反應②的氣體產物共為V₂L，則反應②生成的氣體中CO₂體積為0.5V₂L，H₂的體積為0.5V₂L，反應③合成甲醇剩余的氫氣，與反應②生成的混合氣體恰好發生反應④，故0.5V₂L：（0.5V₂L+0.25V₁L）=1：3，整理得V₁：V₂=4：1，故答案為：4：1；
（3）使原子利用率都達到100%，根據原子守恒，由甲醇的分子式可知，則混合氣體中n（C）：n（H）：n（O）=1：4：1，令CH₄、CO、H₂O的物質的量分別為xmol、ymol、zmol，則（x+y）：（4x+2z）：（y+z）=1：4：1，整理得x：y：z=1：2：1，故答案為：1：2：1；
（4）生成80molNH₃，則氮氣為40mol，氧氣為10mol．設CH₄為x mol，H₂O為y mol，CH₃OH為z mol；根據碳元素守恒得：x=20+z；根據氫元素守恒得：4x+2y=240+40+4z；根據氧元素守恒得：20+y=40+z，聯立方程解得x=100，y=100，z=80，
答：可得到CH₃OH的物質的量為80mol．

點評：本題考查方程式的有關計算，題目閱讀量較大、計算量較大，對學生的心理素質有較高的要求，注意利用原子守恒進行的計算，難度較大．