Question

某化工厂以甲烷为原料合成甲醇的反应为：（所有气体体积均已折算为标准状况）
反应器①中：CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g）
反应器②中：CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）（该反应CO的转化率为 

2

3

）
（1）在反应器①中通入体积为672m³的甲烷和足量的水蒸气，充分反应后通入反应器②，则反应剩余物中n（CO）=

 

，n（H₂）=

 

．
（2）为增大产量，该厂在原工艺的基础上，将下列反应运用于生产甲醇原料气：反应器③中    
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）
若新工艺中充入反应器 ①的甲烷体积为a，水蒸气足量，反应器③的甲烷体积为b，最终反应产物中：
V（CO）：V（H₂）=1：3
①求充入反应器①③的甲烷的体积比a：b=

 

；
②若最终反应剩余物中有N₂，且V （ N₂）=V（CO），则该空气中氧气的体积分数为多少？
（要求：写出本小题的计算过程）

Answer 1

考点：化学平衡的计算

专题：

分析：（1）根据化学方程式中各个物质物质的量以及转化率进行计算，甲烷转化率是1，即全部反应，一氧化碳的转化率是

2

3

，说明第一步反应生成的一氧化碳在第二步中有

2

3

被消耗掉，根据消耗掉的量计算剩余量即可；
（2）①根据反应方程式计算出反应用a、b表示的生成的CO、氢气的体积，再根据一氧化碳的转化率计算出反应消耗的CO、氢气的体积，从而计算出反应后V（CO）：V（H₂），再根据V（CO）：V（H₂）=1：3计算出a：b；
②根据①的计算结果可知反应后CO的体积，从而知道空气中氮气的体积，然后根据反应方程式计算出反应中甲烷消耗的氧气，最后计算出空气中氧气的体积分数．

解答： 解：（1）充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为672m³（即

672×103L

22.4L/mol

=3.0×10⁴mol）和1750m³（即

1750×103L

22.4L/mol

=7.8125×10⁴mol），甲烷转化率是1，即全部反应，CO的转化率为

2

3

，则
       CH₄（g）+H₂O（g）→CO（g）+3H₂（g），
3.0×10⁴mol  3.0×10⁴mol 3.0×10⁴mol  9.0×10⁴mol  
发生上述反应后，水蒸气会剩余，
       CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）

2

3

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

2

3

×3.0×10⁴mol=1×10⁴mol，n（H₂）=9.0×10⁴mol-4.0×10⁴mol=5.0×10⁴mol，
故答案为：1.0×10⁴mol；5.0×10⁴mol；      
（2）①反应①中甲烷的体积为a，则反应生成的一氧化碳的体积为a、氢气为3a；
反应③中生成的一氧化碳的体积为b，氢气为2b，所以总的一氧化碳为a+b、氢气为3a+2b，
反应消耗的一氧化碳为

2

3

（a+b），反应消耗的氢气为2×

2

3

（a+b），
反应后剩余的CO为：（1-

2

3

）（a+b）=

1

3

（a+b），剩余的氢气为（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，
故答案为：1：2；
②反应后剩余的一氧化碳为

1

3

（a+b），且b=2a则（ N₂）=V（CO）=

1

3

（a+b）=a，
根据反应反应2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）可知，反应消耗的氧气的体积为：n（O₂）=

1

2

（CH₄）=

1

2

b=a，
所以氧气所占的体积分数为：

a

a+a

×100%=50%，
答：该空气中氧气的体积分数为50%．

点评：本题考查了化学平衡的计算，题目难度较大，明确题干信息的含义为解答关键，注意掌握有关化学平衡计算的方法，试题充分考查了学生的分析、理解能力及化学计算能力．