Question

CO和CO₂都可以合成甲醇：CO+2H₂→CH₃OH；CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O，CO、CO₂和H₂可通過下列反應制備：①CH₄+H₂O（g）→CO+3H₂；②CO+H₂O（g）→CO₂+H₂；反應①的產物合成甲醇時H₂過量，反應②的產物合成甲醇時H₂不足．為了充分利用原料，可將兩個反應的產物混合使用．
（1）以CH₄、CO、H₂O混合氣體為原料氣，在一定條件下充分反應，所得氣體以合成甲醇，為使原子的利用率達到最高，則CH₄、CO、H₂O的最佳配比為______．
（2）若以100L CH₄和H₂O的混合氣體為原料，制備CO、CO₂和H₂混合氣體，當CH₄和H₂O均完全反應后，在相同條件下反應后氣體的體積為______L（寫范圍）．
（3）若反應①的氣體產物共為V₁L，則合成甲醇時H₂過量0.25V₁L；反應②的氣體產物共為V₂L，則合成甲醇時H₂不足（H₂少V₂L）．為了充分利用原料，可將兩個反應的產物混合使用，則V₁與V₂最佳比例為______．
（4）在100L CH₄和H₂O的混合氣體中，CH₄所占的體積分數(shù)為x，反應后氣體的體積為y（L），求：x的取值范圍和氣體產物的體積y（用含x的函數(shù)表達式）

Answer 1

【答案】分析：（1）使原子利用率都達到100%，根據(jù)原子守恒，由甲醇的分子式可知，則混合氣體中n（C）：n（H）：n（O）=1：4：1，據(jù)此計算；
（2）假定只發(fā)生反應CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，生成的混合氣體的體積最大，假定只發(fā)生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，生成的混合氣體的體積最小，據(jù)此計算；
（3）根據(jù)反應②計算V₂L氣體中CO₂、H₂的體積，反應③合成甲醇剩余的氫氣，與反應②生成的混合氣體恰好發(fā)生反應④，據(jù)此計算；
（4）根據(jù)反應CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂和CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂進行計算．
解答：解：（1）使原子利用率都達到100%，根據(jù)原子守恒，由甲醇的分子式可知，則混合氣體中n（C）：n（H）：n（O）=1：4：1，令CH₄、CO、H₂O的物質的量分別為xmol、ymol、zmol，則（x+y）：（4x+2z）：（y+z）=1：4：1，整理得x：y：z=2：1：2，故答案為：2：1：2；
（2）假定只發(fā)生反應CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，生成的混合氣體的體積最大，最大體積為100L×=200L，假定只發(fā)生CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，生成的混合氣體的體積最小，最小體積為100L×=166.7L，故反應后氣體的體積為：166.7L＜v＜200L，
故答案為：166.7L≤v≤200L；
（3）反應②的氣體產物共為V₂L，則反應②生成的氣體中CO₂體積為0.5V₂L，H₂的體積為0.5V₂L，反應③合成甲醇剩余的氫氣，與反應②生成的混合氣體恰好發(fā)生反應④，故0.5V₂L：（0.5V₂L+0.25V₁L）=1：3，整理得V₁：V₂=4：1，故答案為：4：1；
 （4）反應可能由3種情況：
①如H₂O少量，則只發(fā)生：CH₄+H₂O （g）→CO+3H₂，x的取值范圍＜x＜1，由差量法可知反應后的體積為100+100（1-x）×2=300-200x，
即：v=300-200x；
②如H₂O過量，則只發(fā)生：CH₄+2H₂O（g）→CO₂+4H₂，x的取值范圍0＜x＜，反應后氣體為CO₂、H₂和H₂O，由差量法可知反應后的體積為100+200x，
即：V=100+200x，
③如H₂O與CH₄均完全反應，x的取值范圍≤x≤，由差量法可知V=100+200x，
答：x的取值范圍和氣體產物的體積y分別為①＜x＜1，v=300-200x；②0＜x＜，V=100+200x；③≤x≤，V=100+200x．
點評：本題考查混合物的計算，題目難道較大，注意差量法的運用，為解答該題的關鍵，注意把握相關反應的可能性．