Question

2．化学反应常常涉及到气体，气体在千变万化的化学反应中充当着重要角色． 
完成下列计算：
（1）足量铜与一定量的浓硝酸反应，得到硝酸铜溶液和NO₂、N₂O₄、NO的混合气体，将这些气体与标准状况下1.68LO₂混合后通入水中，所有气体完全被水吸收生成硝酸．若向所得硝酸铜溶液中加入5 mol•L^-1NaoH溶液至Cu²⁺恰好完全沉淀，则所用氧气的物质的量为0.075mol，消耗NaOH溶液的体积是60mL． 
某化工厂以甲就为原料中合成甲醇的反应为：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）…①（反应中CH₄转化率为100%）
CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）…②（反应中CO有$\frac{2}{3}$转化）
合成工艺如下：

虚线框内为改进后的工艺中新增流程，所有气体体积均折算为标准状况． 
（2）原工艺中，当充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为672m³和1750m³时，最后的反应剩余物中n（CO）=10000mol，n（H₂）=50000mol．
（3）为充分利用反应剩余物，该厂在原工艺的基础上，将下列反应运用于正产甲醇原料气：
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）…③（反应中CH₄转化率为100%） 
若新工艺中充入反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为am³和3am³，反应剩余物中V（H₂）：V（CO）=3：1．试计算充入反应器③的甲烷的体积．

Answer 1

分析 （1）根据n=$\frac{V}{{V}_{m}}$计算氧气的物质的量；混合气体与氧气、水反应又得到硝酸，根据电子转移守恒，Cu原子失去的电子等于氧气获得的电子，所得硝酸铜溶液中加入NaOH溶液至Cu²⁺恰好完全沉淀生成Cu（OH）₂，由电荷守恒，OH^-的物质的量等于氧气获得电子物质的量，进而计算NaOH溶液的体积；
（2）反应中CH₄转化率为100%，根据反应①计算生成的CO、H₂的体积，反应②中CO有$\frac{2}{3}$转化，计算参加反应的CO、H₂的体积，再根据反应②计算参加反应的H₂的体积，进而计算剩余CO、H₂的体积，根据n=$\frac{V}{{V}_{m}}$计算它们的物质的量；
（3）假设充入反应器③的甲烷的体积为V，根据反应①、③表示出生成的CO、H₂的体积，反应②中CO有$\frac{2}{3}$转化，计算参加反应的CO、H₂的体积，进而计算剩余CO、H₂的体积，再结合反应剩余物中V（H₂）：V（CO）=3：1进行计算．

解答 解：（1）1.68L氧气的物质的量$\frac{1.68L}{22.4L/mol}$=0.075mol；
混合气体与氧气、水反应又得到硝酸，根据电子转移守恒，Cu原子失去的电子等于氧气获得的电子，所得硝酸铜溶液中加入NaOH溶液至Cu²⁺恰好完全沉淀生成Cu（OH）₂，由电荷守恒，OH^-的物质的量等于氧气获得电子物质的量，故n（OH^-）=0.075mol×4=0.3mol，则V（NaOH）=$\frac{0.3mol}{5mol/L}$=0.06L=60mL，
故答案为：0.075mol；60mL；
（2）反应中CH₄转化率为100%，甲烷和水蒸汽的体积分别为672m³和1750m³，由CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g），可知水蒸气有剩余，则：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）
672m³        672m³    2016m³            
反应②中CO有$\frac{2}{3}$转化，故参加反应的CO为672m³×$\frac{2}{3}$=448m³，由CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g），可知参加H₂的体积为449m³×2=896m³，故剩余CO为672m³-448m³=224m³，其物质的量为$\frac{224×1000L}{22.4L/mol}$=10000mol，剩余H₂的体积为2016m³-896m³=1124m³，其物质的量为$\frac{1124×1000L}{22.4L/mol}$=50000mol，
故答案为：10000mol；50000mol；
（3）反应器①的甲烷和水蒸汽的体积分别为am³和3am³，假设充入反应器③的甲烷的体积为V，则：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）   2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）
a            a       3a          V                V         2V
反应②中CO有$\frac{2}{3}$转化，参加反应的CO为$\frac{2}{3}$（a+V）m³，由CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g），可知参加H₂的体积为$\frac{2}{3}$（a+V）m³×2=$\frac{4}{3}$（a+V）m³，故剩余CO为$\frac{1}{3}$（a+V）m³，剩余H₂的体积为（3a+2V）m³-$\frac{4}{3}$（a+V）m³=$\frac{1}{3}$（5a+2V）m³，
故$\frac{1}{3}$（5a+2V）m³：$\frac{1}{3}$（a+V）m³=3：1，解得V=2am³，
答：充入反应器③的甲烷的体积为2am³．

点评 本题考查混合物的有关计算、化学反应方程式有关计算，侧重考查学生分析计算能力，难度中等．