Question

合成氨原料可以由天然氣制取。其主要反應為：CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)

(1)1 m³(標準狀況)CH₄按上式完全反應，產生H₂___________mol。

(2)CH₄和O₂的反應為：2CH₄(g)+O₂(g)2CO(g)+4H₂(g)，設CH₄同時和H₂O(g)及O₂(g)反應。1 m³(標準狀況)CH₄按上述兩式完全反應，產物氣體的體積V(標準狀況)為_____________。

(3)CH₄和H₂O(g)及富氧空氣(O₂含量較高，不同富氧空氣氧氣含量不同)混合反應，產物氣體組成如下表：

氣體	CO	H2	N2	O2
體積(L)	24	60	15	2.5

計算該富氧空氣中O₂和N₂的體積比V(O₂)/V(N₂)。

(4)若CH₄和H₂O(g)及富氧空氣混合反應的產物中，V(H₂)∶V(N₂)=3∶1(合成氨反應的最佳比)，則反應中的H₂O(g)和富氧空氣的體積比為何值？

Answer 1

解析：(1)設1 m³ CH₄完全反應可產生H₂、CO的物質的量分別為x、y，則

       CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)

       1 mol                          1 mol   3 mol

                     y         x

。

(2)由反應CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)知，1 m³標況下的CH₄,產生氣體的體積為4 m³；而1 m³ CH₄在標況下按反應2CH₄(g)+O₂(g) 2CO(g)+4H₂(g)進行時產生氣體的體積為3 m³,故1 m³ CH₄同時按上述兩種反應進行時產生氣體的體積應介于3 m³與4 m³之間。

(3)設參加反應的H₂O的體積為x,O₂的體積為y，由：

CH₄(g)+H₂O(g) CO(g)+3H₂(g)

               1                    1         3

               X                 V(CO)  V(H₂)

V(CO)=x  V(H₂)=3x

又2CH₄(g)+O₂(g) 2CO(g)+4H₂(g)

                   1                  2           4

                    y              V′(CO)    V′(H₂)

V′(CO)=y  V′(H₂)=4y

則

所以。

(4)設富氧空氣中O₂的體積分數為a,反應用去的H₂O(g)與富氧空氣的體積分別為x、y，則

CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)

               x                              3x

2CH₄(g)+O₂(g) 2CO(g)+4H₂(g)

               y·a                           4ay

所以有

答案：(1)133.9  (2)3 m³＜V＜4 m³   (3)V(O₂)/V(N₂)=  (4)V［H₂O(g)］∶V(空氣)=1-a