Question

【題目】CO2是重要的化工原料，也是應用廣發的化工產品。CO2與過氧化鈉或超氧化鉀反應可產生氧氣。

完成下列計算：

（1）CO2通入氨水生成NH4HCO3，NH4HCO3很容易分解。2.00 mol NH4HCO3完全分解，分解產物經干燥后的體積為_________L(標準狀況)。

（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，該NaOH溶液的濃度為_______。

（3）CO2和KO2有下列反應：

4KO2+2CO2→2K2CO3+3O2

4KO2+4CO2+2H2O→4KHCO3+3O2

若9 mol CO2在密封艙內和KO2反應后生成9 mol O2，則反應前密封艙內H2O的量應該是多少？列式計算。

（4）甲烷和水蒸氣反應的產物是合成甲醇的原料：CH4+H2OCO+3H2

已知：CO+2H2CH3OH CO2+3H2CH3OH+H2O

300 mol CH4完全反應后的產物中，加入100 mol CO2后合成甲醇。若獲得甲醇350 mol，殘留氫氣120 mol，計算CO2的轉化率。

Answer 1

【答案】（1）89.6

（2）2.4 mol/L≥c≥1.2 mol/L

（3）

n(H2O)=(9/6)×2=3(mol)

（4）300 mol CH4完全反應產生H2 900mol

設CO2轉化率為α，CO轉化率為β

300β+100α=350 600β+300α=900-120

α=80%

或設CO2轉化率為α 900350×2100α=120 α=80/100=80%

【解析】

試題分析：

（1）碳酸氫銨分解的化學方程式為：NH4HCO3H2O+NH3↑+CO2↑，從方程式可以看出，分解產物經干燥后，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，即分解產物經干燥后的體積為89.6L。

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

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

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

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

（3）法一：

依題意，9 mol CO2在密封艙內和KO2反應后生成9 mol O2，即n(CO2)∶n(O2)=1∶1，通過觀察題給兩個方程式可知，當把兩個方程式相加時正好符合題目要求：

8KO2+6CO2+2H2O→2K2CO3+4KHCO3+6O2

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

法二：

設反應前密封艙內H2O的物質的量為n

4KO2 + 4CO2 + 2H2O → 4KHCO3 + 3O2

2n n 1.5n

4KO2 + 2CO2 → 2K2CO3 + 3O2

9-2n 1.5(9-2n)

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

H2O的物質的量為3mol。

（4）法一：

CH4 + H2O → CO + 3H2

300mol 300mol 900mol

設CO2的轉化率為α，CO的轉化率為β

p>CO + 2H2 → CH3OH CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O

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

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

根據題意，反應后殘留氫氣120mol，則實際參加反應的氫氣為900mol-350mol，所以有

600βmol+300αmol=900mol-350mol--------②式

由①②式可得α=0.8，即設CO2的轉化率為80%。

法二：

在合成甲醇的反應中，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CO2的轉化率為α

CH4 + H2O → CO + 3H2

300mol 900mol

CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O

100αmol 100αmol

根據題意，反應后殘留氫氣120mol，則實際參加反應的氫氣為900mol-350mol，根據反應中氫元素的守恒可有：900mol-120mol=350mol×2+100αmol，解得α=0.8，即設CO2的轉化率為80%。