Question

某化工廠以甲烷為原料合成甲醇的反應為：（所有氣體體積均已折算為標準狀況）
反應器①中：CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g）
反應器②中：CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）（該反應CO的轉化率為 

2

3

）
（1）在反應器①中通入體積為672m³的甲烷和足量的水蒸氣，充分反應后通入反應器②，則反應剩余物中n（CO）=

 

，n（H₂）=

 

．
（2）為增大產量，該廠在原工藝的基礎上，將下列反應運用于生產甲醇原料氣：反應器③中    
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）
若新工藝中充入反應器 ①的甲烷體積為a，水蒸氣足量，反應器③的甲烷體積為b，最終反應產物中：
V（CO）：V（H₂）=1：3
①求充入反應器①③的甲烷的體積比a：b=

 

；
②若最終反應剩余物中有N₂，且V （ N₂）=V（CO），則該空氣中氧氣的體積分數為多少？
（要求：寫出本小題的計算過程）

Answer 1

考點：化學平衡的計算

專題：

分析：（1）根據化學方程式中各個物質物質的量以及轉化率進行計算，甲烷轉化率是1，即全部反應，一氧化碳的轉化率是

2

3

，說明第一步反應生成的一氧化碳在第二步中有

2

3

被消耗掉，根據消耗掉的量計算剩余量即可；
（2）①根據反應方程式計算出反應用a、b表示的生成的CO、氫氣的體積，再根據一氧化碳的轉化率計算出反應消耗的CO、氫氣的體積，從而計算出反應后V（CO）：V（H₂），再根據V（CO）：V（H₂）=1：3計算出a：b；
②根據①的計算結果可知反應后CO的體積，從而知道空氣中氮氣的體積，然后根據反應方程式計算出反應中甲烷消耗的氧氣，最后計算出空氣中氧氣的體積分數．

解答： 解：（1）充入反應器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為672m³（即

672×103L

22.4L/mol

=3.0×10⁴mol）和1750m³（即

1750×103L

22.4L/mol

=7.8125×10⁴mol），甲烷轉化率是1，即全部反應，CO的轉化率為

2

3

，則
       CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g），
3.0×10⁴mol  3.0×10⁴mol 3.0×10⁴mol  9.0×10⁴mol  
發生上述反應后，水蒸氣會剩余，
       CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）

2

3

×3.0×10⁴mol  4.0×10⁴mol   
所以反應剩余物中：n（CO）=3.0×10⁴mol-

2

3

×3.0×10⁴mol=1×10⁴mol，n（H₂）=9.0×10⁴mol-4.0×10⁴mol=5.0×10⁴mol，
故答案為：1.0×10⁴mol；5.0×10⁴mol；      
（2）①反應①中甲烷的體積為a，則反應生成的一氧化碳的體積為a、氫氣為3a；
反應③中生成的一氧化碳的體積為b，氫氣為2b，所以總的一氧化碳為a+b、氫氣為3a+2b，
反應消耗的一氧化碳為

2

3

（a+b），反應消耗的氫氣為2×

2

3

（a+b），
反應后剩余的CO為：（1-

2

3

）（a+b）=

1

3

（a+b），剩余的氫氣為（3a+2b）-

4

3

（a+b）=

1

3

（5a+2b），
所以：

1 3 (a+b)

1 3 (5a+2b)

=1：3，
解得：a：b=1：2，
故答案為：1：2；
②反應后剩余的一氧化碳為

1

3

（a+b），且b=2a則（ N₂）=V（CO）=

1

3

（a+b）=a，
根據反應反應2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）可知，反應消耗的氧氣的體積為：n（O₂）=

1

2

（CH₄）=

1

2

b=a，
所以氧氣所占的體積分數為：

a

a+a

×100%=50%，
答：該空氣中氧氣的體積分數為50%．

點評：本題考查了化學平衡的計算，題目難度較大，明確題干信息的含義為解答關鍵，注意掌握有關化學平衡計算的方法，試題充分考查了學生的分析、理解能力及化學計算能力．