Question

【題目】CO2是重要的化工原料，也是應(yīng)用廣發(fā)的化工產(chǎn)品。CO2與過(guò)氧化鈉或超氧化鉀反應(yīng)可產(chǎn)生氧氣。

完成下列計(jì)算：

（1）CO2通入氨水生成NH4HCO3，NH4HCO3很容易分解。2.00 mol NH4HCO3完全分解，分解產(chǎn)物經(jīng)干燥后的體積為_________L(標(biāo)準(zhǔn)狀況)。

（2）某H2中含有2.40 molCO2，該混合氣體通入2.00 L NaOH溶液中，CO2被完全吸收。如果NaOH完全反應(yīng)，該NaOH溶液的濃度為_______。

（3）CO2和KO2有下列反應(yīng)：4KO2+2CO2→2K2CO3+3O2，4KO2+4CO2+2H2O→4KHCO3+3O2，若9 mol CO2在密封艙內(nèi)和KO2反應(yīng)后生成9 mol O2，則反應(yīng)前密封艙內(nèi)H2O的量應(yīng)該是多少_______？列式計(jì)算。

（4）甲烷和水蒸氣反應(yīng)的產(chǎn)物是合成甲醇的原料：CH4+H2OCO+3H2，已知：CO+2H2CH3OH，CO2+3H2CH3OH+H2O。300 mol CH4完全反應(yīng)后的產(chǎn)物中，加入100 mol CO2后合成甲醇。若獲得甲醇350 mol，殘留氫氣120 mol，計(jì)算CO2的轉(zhuǎn)化率_______。

Answer 1

【答案】89.62.4 mol/L≥c≥1.2mol/L8KO2+6CO2+2H2O=2K2CO3+4KHCO3+6O2

n(CO2)∶n(O2)=6∶2

n(H2O)=(9/6)×2=3(mol)300 mol CH4完全反應(yīng)產(chǎn)生H2 900mol

設(shè)CO2轉(zhuǎn)化率為α，CO轉(zhuǎn)化率為β

300β+100α=350 600β+300α=900-120

α=80%

或設(shè)CO2轉(zhuǎn)化率為α

900350×2100α=120

α=80/100=80%

【解析】

試題

（1）碳酸氫銨分解的化學(xué)方程式為：NH4HCO3H2O+NH3↑+CO2↑，從方程式可以看出，分解產(chǎn)物經(jīng)干燥后，所得氣體為NH3和CO2，且n(NH3)+ n(CO2)=2n(NH4HCO3)=2×2.00mol=4.00mol，則V(混合氣體)=4.00mol×22.4L/mol=89.6L，即分解產(chǎn)物經(jīng)干燥后的體積為89.6L。

（2）根據(jù)題意要求，2.40 molCO2被完全吸收，NaOH也完全反應(yīng)，則反應(yīng)的產(chǎn)物可能是Na2CO3（此時(shí)NaOH的濃度最大）或NaHCO3（此時(shí)NaOH的濃度最小）或Na2CO3和NaHCO3的混合物。用極值思想分析兩個(gè)特殊情況：

①CO2+NaOH=NaHCO3，n(NaOH)= n(CO2)=2.40mol，則c(NaOH)==1.20mol/L；

②CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O，n(NaOH)=2n(CO2)=4.80mol，則c(NaOH)==2.40mol/L；

綜合（1）、（2）可知，NaOH溶液的濃度應(yīng)該為1.20mol/L≤c(NaOH)≤2.40mol/L。

（3）法一：

依題意，9 mol CO2在密封艙內(nèi)和KO2反應(yīng)后生成9 mol O2，即n(CO2)∶n(O2)=1∶1，通過(guò)觀察題給兩個(gè)方程式可知，當(dāng)把兩個(gè)方程式相加時(shí)正好符合題目要求：

8KO2+6CO2+2H2O→2K2CO3+4KHCO3+6O2

所以有n(H2O)=n(CO2)=×9mol=3mol，即反應(yīng)前密封艙內(nèi)H2O的物質(zhì)的量為3mol。

法二：

設(shè)反應(yīng)前密封艙內(nèi)H2O的物質(zhì)的量為n

4KO2+ 4CO2+ 2H2O → 4KHCO3+ 3O2

2nn 1.5n

4KO2+ 2CO2→ 2K2CO3+ 3O2

9-2n 1.5(9-2n)

根據(jù)題意生成氧氣9mol，所以有1.5n+ 1.5(9-2n)=9mol，解得n=3mol，即反應(yīng)前密封艙內(nèi)

H2O的物質(zhì)的量為3mol。

（4）法一：

CH4+ H2OCO + 3H2

300mol 300mol 900mol

設(shè)CO2的轉(zhuǎn)化率為α，CO的轉(zhuǎn)化率為β

CO + 2H2CH3OH CO2+ 3H2CH3OH + H2O

300βmol 600βmol 300βmol 100αmol 300αmol 100αmol

根據(jù)題意，共生成350mol甲醇，所以有300βmol+100αmol=350mol-------①式

根據(jù)題意，反應(yīng)后殘留氫氣120mol，則實(shí)際參加反應(yīng)的氫氣為900mol-120 mol，所以有

600βmol+300αmol="900mol-120" mol--------②式

由①②式可得α=0.8，即CO2的轉(zhuǎn)化率為80%。

法二：

在合成甲醇的反應(yīng)中，氫元素在生成物中有兩種存在形式，一是存在于甲醇中，二是存在于水中，設(shè)CO2的轉(zhuǎn)化率為α

CH4+ H2OCO + 3H2

300mol 900mol

CO2+ 3H2CH3OH + H2O

100αmol 100αmol

根據(jù)題意，反應(yīng)后殘留氫氣120mol，則實(shí)際參加反應(yīng)的氫氣為900mol-120 mol，根據(jù)反應(yīng)中氫元素的守恒可有：900mol-120mol=350mol×2+100αmol，解得α=0.8，即CO2的轉(zhuǎn)化率為80%。