Question

（2012?闸北区二模）合成氨的原料气之一氢气可由天然气（甲烷）与水蒸汽在一定条件下反应制得：
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与足量水蒸气反应，理论上最多可制得同温同压下的H₂

4

m³；现有100mol CH₄，与水蒸汽充分反应产生的CO和CO₂的体积比为3：1，则此时产生的气体（不含CH₄）中H₂有

325

mol；若以150L CH₄和H₂O的混合气体为原料，制备CO、CO₂和H₂混合气体，当CH₄和H₂O均完全反应后，在相同条件下反应后气体的体积为

250L＜v＜300L

 （写范围）．
（2）若反应①的气体产物共为V₁L，则合成甲醇时H₂过量0.25V₁L；反应②的气体产物共为V₂L，则合成甲醇时H₂不足（H₂少V₂L）．为了充分利用原料，可将两个反应的产物混合使用，则V₁与V₂最佳比例为

4：1

．
（3）若以CH₄、CO、H₂O混合气体为原料气在一定条件下充分反应，所得气体用以合成甲醇，为使原子利用率都达到100%，则CH₄、CO、H₂O的最佳配比为

1：2：1

．
（4）为了充分利用原料，合成氨厂也可同时生产甲酸和甲醇．有关反应式为：
2CH₄+O₂→2CH₃OH  ⑤；    CO₂+H₂→HCOOH  ⑥；
由空气制得的液态氮和液态氧的物质的量之比为4：1，若充分利用液态氮以及CH₄与足量水蒸气反应产生的物质，每生产80mol NH₃（设水气足量），得到20mol HCOOH，试计算同时可得到CH₃OH的物质的量．

Answer 1

分析：（1）反应①+反应②可得CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，据此方程式利用体积之比等于化学计量数之比计算；
根据甲烷的物质的量计算CO和CO₂的各自物质的量，再根据方程式：CH₄+H₂O（g）→CO+3H₂，CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，计算生成的氢气的物质的量；
假定只发生反应CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，生成的混合气体的体积最大，假定只发生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，生成的混合气体的体积最小，据此计算；
（2）根据反应②计算V₂L气体中CO₂、H₂的体积，反应③合成甲醇剩余的氢气，与反应②生成的混合气体恰好发生反应④，据此计算；
（3）使原子利用率都达到100%，根据原子守恒，由甲醇的分子式可知，则混合气体中n（C）：n（H）：n（O）=1：4：1，据此计算；
（4）生成80molNH₃，则氮气为40mol，氧气为10mol．设CH₄为x mol，H₂O为y mol，CH₃OH为z mol；根据碳元素守恒得：x=20+z；根据氢元素守恒得：4x+2y=240+40+4z； 根据氧元素守恒得：20+y=40+z，据此解答．

解答：解：（1）反应①+反应②可得CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，由方程式可知，1m³CH₄与足量水蒸气反应，理论上最多可制得同温同压下的H₂体积1m³×4=4m³，
100molCH₄与水蒸汽充分反应产生的CO和CO₂的体积比为3：1，则CO的物质的量为100mol×

3

4

=75mol，CO₂的物质的量为100mol-75mol=25mol，由CH₄+H₂O（g）→CO+3H₂可知，生成氢气物质的量为75mol×3=225mol，由CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂可知，生成的氢气的物质的量为25mol×4=100mol，故生成氢气总物质的量为225mol+100mol=325mol，
假定只发生反应CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，生成的混合气体的体积最大，最大体积为150L×

4

2

=300L，假定只发生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，生成的混合气体的体积最小，最小体积为150L×

5

2

=250L，故反应后气体的体积为：250L＜v＜300L，
故答案为：4；325；250L＜v＜300L；
（2）反应②的气体产物共为V₂L，则反应②生成的气体中CO₂体积为0.5V₂L，H₂的体积为0.5V₂L，反应③合成甲醇剩余的氢气，与反应②生成的混合气体恰好发生反应④，故0.5V₂L：（0.5V₂L+0.25V₁L）=1：3，整理得V₁：V₂=4：1，故答案为：4：1；
（3）使原子利用率都达到100%，根据原子守恒，由甲醇的分子式可知，则混合气体中n（C）：n（H）：n（O）=1：4：1，令CH₄、CO、H₂O的物质的量分别为xmol、ymol、zmol，则（x+y）：（4x+2z）：（y+z）=1：4：1，整理得x：y：z=1：2：1，故答案为：1：2：1；
（4）生成80molNH₃，则氮气为40mol，氧气为10mol．设CH₄为x mol，H₂O为y mol，CH₃OH为z mol；根据碳元素守恒得：x=20+z；根据氢元素守恒得：4x+2y=240+40+4z；根据氧元素守恒得：20+y=40+z，联立方程解得x=100，y=100，z=80，
答：可得到CH₃OH的物质的量为80mol．

点评：本题考查方程式的有关计算，题目阅读量较大、计算量较大，对学生的心理素质有较高的要求，注意利用原子守恒进行的计算，难度较大．