Question

14．CO₂是重要的化工原料，也是應用廣泛的化工產品．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．2.00mol NH₄HCO₃完全分解，分解產物經干燥后的體積為89.6L（標準狀況）．
（2）某H₂中含有2.40molCO₂，該混合氣體通入2.00L 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2.4mol/L≥c≥1.2mol/L．
（3）CO₂和KO₂有下列反應：
4KO₂+2CO₂→2K₂CO₃+3O₂
4KO₂+4CO₂+2H₂O→4KHCO₃+3O₂
若9mol CO₂在密封艙內和KO₂反應后生成9mol 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+H₂O$→_{△}^{催化劑}$CO+3H₂
已知：CO+2H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₃OH   CO₂+3H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₃OH+H₂O
300mol CH₄完全反應后的產物中，加入100mol CO₂后合成甲醇．若獲得甲醇350mol，殘留氫氣120mol，計算CO₂的轉化率．

Answer 1

分析 （1）NH₄HCO₃完全分解生成NH₃、CO₂，方程式為NH₄HCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH₃↑+CO₂↑+H₂O，2molNH₄HCO₃可生成4mol氣體；
（2）2.40molCO₂與NaOH完全反應，產物可能為Na₂CO₃或NaHCO₃或二者都有，結合質量守恒解答；
（3）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，當把兩個方程式相加得到8KO₂+6CO₂+2H₂O→2K₂CO₃+4KHCO₃+6O₂，根據方程式計算消耗水的量；
（4）甲烷完全反應生成CO和氫氣，根據反應CO+2H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₃OH、CO₂+3H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₃OH+H₂O設CO₂的轉化率為α，CO的轉化率為β，結合質量守恒可計算轉化率；或根據氫元素守恒計算．

解答 解：（1）NH₄HCO₃完全分解生成NH₃、CO₂，方程式為NH₄HCO₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH₃↑+CO₂↑+H₂O，分解后水為液態(tài)，則2molNH₄HCO₃可生成4mol氣體，體積為4mol×22.4L/mol=89.6L，故答案為：89.6；
（2）2.40molCO₂與NaOH完全反應，產物可能為Na₂CO₃或NaHCO₃或二者都有，
假設全部生成生成NaHCO₃，則發(fā)生CO₂+NaOH=NaHCO₃，n（NaOH）=n（CO₂）=2.40mol，則c（NaOH）=$\frac{2.4mol}{2.00L}$=1.20mol/L；
假設全部生成，則發(fā)生CO₂+2NaOH=Na₂CO₃，n（NaOH）=2n（CO₂）=4.80mol，則c（NaOH）=$\frac{4.80mol}{2.00L}$=2.40mol/L；
綜合以上兩種情況可知，NaOH溶液的濃度應該1.20mol/L≤c（NaOH）≤2.40mol/L．
故答案為：2.4 mol/L≥c≥1.2  mol/L；
（3）可用兩種方法解答：
方法一：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）=$\frac{1}{3}$n（CO₂）=$\frac{1}{3}$×9mol=3mol，即反應前密封艙內H₂O的物質的量為3mol，
方法二：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．
答：反應前密封艙內H₂O的量應該是3mol；
（4）方法一：
   CH₄+H₂O→CO+3H₂
300mol    300mol   900mol
設CO₂的轉化率為α，CO的轉化率為β
     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
根據題意，反應后殘留氫氣120mol，則實際參加反應的氫氣為900mol-120mol，所以有
600βmol+300αmol=900mol-120mol--------②
由①②式可得α=0.8，即設CO₂的轉化率為80%．
方法二：
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
100amol       100amol
根據題意，反應后殘留氫氣120mol，則實際參加反應的氫氣為900mol-120mol，根據反應中氫元素的守恒可有900mol-120mol=350mol×2+100amol，
解得a=0.8，
即設CO₂的轉化率為80%，
答：CO₂的轉化率為80%．

點評 本題考查化學方程式的計算，綜合考查學生的分析、計算能力，題目用到端值法和守恒法，難度較大，易錯點為（4）答題時注意體會．