单选题
在40mL CO、CH4、N2的混合气体中,加入过量的空气,经燃烧后,测得体积缩减了42mL,生成CO2 36mL,气体中CH4的体积分数为
A
A、10%
B
B、40%
C
C、50%
D
D、90%
答案解析
正确答案:B
解析:
这道题目考察的是气体反应的化学计量关系以及体积分数的概念。我们可以通过分析每个选项来理解为什么正确答案是B(40%)。
首先,我们需要了解几个关键点:
- CO燃烧生成CO2:\[CO + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO_2\],即每1体积CO完全燃烧后会生成1体积CO2。
- CH4燃烧生成CO2和H2O:\[CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O\],即每1体积CH4完全燃烧后会生成1体积CO2,并且总体积减少1体积(因为水以气态形式存在时体积可以忽略不计)。
- N2在空气中不会参与燃烧反应。
题目中提到混合气体总体积为40mL,燃烧后总体积减少了42mL,同时产生了36mL的CO2。这意味着原始混合物中的CO和CH4都参与了反应,而N2没有变化。
设CO、CH4、N2的初始体积分别为x mL, y mL, z mL,则有:
1. \(x + y + z = 40\) (总初始体积)
2. 根据燃烧后的体积变化,我们知道\(y - (x+y) + 36 = 40 - 42\),这里\(y-(x+y)\)表示由于CH4燃烧导致的体积减少量,加上产生的CO2体积36mL等于最终剩余体积。简化得\(y-x=-2\)或\(y=x-2\)。
3. 又因为燃烧后生成了36mL CO2,根据反应方程式,这部分CO2来自于CO和CH4的燃烧,即\(x + y = 36\)。
结合上述两个等式\(y=x-2\)与\(x+y=36\),解得\(x=19, y=17\)。因此,CH4的体积为17mL,在原混合气体中的体积分数为\(17/40=0.425\)或约42.5%,最接近于选项B(40%)。
所以,正确答案是B(40%)。这个选择反映了甲烷在原始混合气体中所占的比例,基于题目给出的数据和化学反应原理进行计算得出的结果。其他选项A(10%)、C(50%)、D(90%)都不符合通过上述方法计算出的实际比例。
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