Question

2．化學反應常常涉及到氣體，氣體在千變萬化的化學反應中充當著重要角色． 
完成下列計算：
（1）足量銅與一定量的濃硝酸反應，得到硝酸銅溶液和NO₂、N₂O₄、NO的混合氣體，將這些氣體與標準狀況下1.68LO₂混合后通入水中，所有氣體完全被水吸收生成硝酸．若向所得硝酸銅溶液中加入5 mol•L^-1NaoH溶液至Cu²⁺恰好完全沉淀，則所用氧氣的物質的量為0.075mol，消耗NaOH溶液的體積是60mL． 
某化工廠以甲就為原料中合成甲醇的反應為：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）…①（反應中CH₄轉化率為100%）
CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g）…②（反應中CO有$\frac{2}{3}$轉化）
合成工藝如下：

虛線框內為改進后的工藝中新增流程，所有氣體體積均折算為標準狀況． 
（2）原工藝中，當充入反應器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為672m³和1750m³時，最后的反應剩余物中n（CO）=10000mol，n（H₂）=50000mol．
（3）為充分利用反應剩余物，該廠在原工藝的基礎上，將下列反應運用于正產甲醇原料氣：
2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）…③（反應中CH₄轉化率為100%） 
若新工藝中充入反應器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為am³和3am³，反應剩余物中V（H₂）：V（CO）=3：1．試計算充入反應器③的甲烷的體積．

Answer 1

分析 （1）根據n=$\frac{V}{{V}_{m}}$計算氧氣的物質的量；混合氣體與氧氣、水反應又得到硝酸，根據電子轉移守恒，Cu原子失去的電子等于氧氣獲得的電子，所得硝酸銅溶液中加入NaOH溶液至Cu²⁺恰好完全沉淀生成Cu（OH）₂，由電荷守恒，OH^-的物質的量等于氧氣獲得電子物質的量，進而計算NaOH溶液的體積；
（2）反應中CH₄轉化率為100%，根據反應①計算生成的CO、H₂的體積，反應②中CO有$\frac{2}{3}$轉化，計算參加反應的CO、H₂的體積，再根據反應②計算參加反應的H₂的體積，進而計算剩余CO、H₂的體積，根據n=$\frac{V}{{V}_{m}}$計算它們的物質的量；
（3）假設充入反應器③的甲烷的體積為V，根據反應①、③表示出生成的CO、H₂的體積，反應②中CO有$\frac{2}{3}$轉化，計算參加反應的CO、H₂的體積，進而計算剩余CO、H₂的體積，再結合反應剩余物中V（H₂）：V（CO）=3：1進行計算．

解答 解：（1）1.68L氧氣的物質的量$\frac{1.68L}{22.4L/mol}$=0.075mol；
混合氣體與氧氣、水反應又得到硝酸，根據電子轉移守恒，Cu原子失去的電子等于氧氣獲得的電子，所得硝酸銅溶液中加入NaOH溶液至Cu²⁺恰好完全沉淀生成Cu（OH）₂，由電荷守恒，OH^-的物質的量等于氧氣獲得電子物質的量，故n（OH^-）=0.075mol×4=0.3mol，則V（NaOH）=$\frac{0.3mol}{5mol/L}$=0.06L=60mL，
故答案為：0.075mol；60mL；
（2）反應中CH₄轉化率為100%，甲烷和水蒸汽的體積分別為672m³和1750m³，由CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g），可知水蒸氣有剩余，則：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）
672m³        672m³    2016m³            
反應②中CO有$\frac{2}{3}$轉化，故參加反應的CO為672m³×$\frac{2}{3}$=448m³，由CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g），可知參加H₂的體積為449m³×2=896m³，故剩余CO為672m³-448m³=224m³，其物質的量為$\frac{224×1000L}{22.4L/mol}$=10000mol，剩余H₂的體積為2016m³-896m³=1124m³，其物質的量為$\frac{1124×1000L}{22.4L/mol}$=50000mol，
故答案為：10000mol；50000mol；
（3）反應器①的甲烷和水蒸汽的體積分別為am³和3am³，假設充入反應器③的甲烷的體積為V，則：
CH₄（g）+H₂O→CO（g）+3H₂（g）   2CH₄（g）+O₂（g）→2CO（g）+4H₂（g）
a            a       3a          V                V         2V
反應②中CO有$\frac{2}{3}$轉化，參加反應的CO為$\frac{2}{3}$（a+V）m³，由CO（g）+2H₂（g）→CH₃OH（g），可知參加H₂的體積為$\frac{2}{3}$（a+V）m³×2=$\frac{4}{3}$（a+V）m³，故剩余CO為$\frac{1}{3}$（a+V）m³，剩余H₂的體積為（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：充入反應器③的甲烷的體積為2am³．

點評 本題考查混合物的有關計算、化學反應方程式有關計算，側重考查學生分析計算能力，難度中等．