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2026鲁科版高中化学选择性必修1
第2章　化学反应的方向、限度与速率
微项目　探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇
基础过关练
1.(2025清华大学附中月考)CO2催化加氢制取甲醇的研究,对于环境、能源问题都具有重要的意义。反应如下:
反应ⅰ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-48.97 kJ·mol-1
反应ⅱ:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.17 kJ·mol-1
下列说法不正确的是 (　　)
A.在恒温恒容条件下,增大氢气浓度能提高二氧化碳的转化率
B.增大压强,有利于生成甲醇,反应ⅰ的平衡常数增大
C.升高温度,生成甲醇的速率加快,反应ⅱ的限度同时增大
D.选用理想的催化剂可以提高甲醇在最终产物中的比例
2.(2025北京陈经纶中学月考)以CO2和H2为原料制造具有更高价值的化学产品是用来缓解温室效应的研究方向。向一密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2,发生反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),测得反应在不同温度和压强下,平衡混合物中CH3OH的体积分数如图所示。下列说法错误的是 (　　)
A.p1>p2
B.a点CO2的转化率为75%
C.a、b、c三点对应的化学反应速率:v(a)D.b→a,平衡向正反应方向移动
3.(2024四川成都七中期中)从CO2捕获技术应用中分离出CO2并用作原料气体来合成基础化工品是很有前景的方法。
(1)CO2与H2在某催化剂作用下可以生成甲醇,反应如下:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH<0。反应历程如图所示(吸附在催化剂表面的物质用“*”标注,如*CO2表示单个CO2分子吸附在催化剂表面;图中*H已省略)。
①上述合成甲醇的反应历程中决定反应速率的步骤是　　　　　　　　(用化学方程式表示)。
②有利于提高平衡时CO2转化率的措施有　　　　　(填字母)。
a.使用催化剂　　　　　　　b.增大压强
c.增大CO2和H2的投料比　　d.降低温度
(2)在催化剂(Ni/xMg)作用下CO2和H2反应还可以生成甲烷,反应如下:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)。以5 mol H2和1 mol CO2为初始原料,保持总压为p0发生反应,不同温度下在相同时间测得CO2的转化率如图。
①三种催化剂中,催化效果最好的是　　　　。使用Ni催化反应,1.2 min达到A点,化学反应速率v(H2)=　　　　　g·min-1。
②B点的压强平衡常数Kp计算式为　　　　　(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×气体物质的量分数)。
能力提升练
1.(不定项)(2025山东济南平阴实验中学月考)已知:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-48.97 kJ·mol-1,反应物起始投料=3时,反应在不同条件下达到平衡,体系中甲醇的物质的量分数用x(CH3OH)表示,在温度为250 ℃时x(CH3OH)~p、在p=5×105 Pa下x(CH3OH)~T变化曲线如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A.图中对应等压过程的曲线是N
B.c点x(CH3OH)相同,平衡常数相同
C.当x(CH3OH)=0.10时,CO2的平衡转化率为
D.由d点到b点可以通过升温实现
2.(2024北京师范大学附属实验中学月考)我国科学家研发的“液态阳光”计划通过太阳能发电电解水制氢,再采用高选择性催化剂将二氧化碳加氢制备甲醇。
已知:CH3OH产率=
(1)制备甲醇的主反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-48.97 kJ·mol-1。该过程中还存在一个生成CO的副反应,结合反应:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH2=-90.0 kJ·mol-1,写出该副反应的热化学方程式:　　　　 　　　　　　　　　　 　。
(2)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,反应条件应选择　　　　　　。(填“高温、高压”“低温、高压”或“高温、低压”)
(3)将CO2和H2按物质的量之比1∶3混合,以固定流速通过盛放Cu/Zn/Al/Zr催化剂的反应器,在相同时间内,不同温度下的实验数据如图所示。
①催化剂活性最好的温度为　　　　(填字母)。
a.483 K　　b.503 K　　c.523 K　　d.543 K
②温度由523 K升到543 K,CO2的平衡转化率和CH3OH的实验产率均降低,解释原因:　　　　　 　　　　　。
(4)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,CO2的平衡转化率随温度变化关系如图所示。p1时曲线出现拐点的温度高于p2时的原因是
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　
　　　 　　　　　　　　　　　　　　　 　。
答案与分层梯度式解析
基础过关练
1.B　二氧化碳和氢气均为反应物,在恒温恒容条件下增大氢气浓度,二氧化碳转化率会增大,故A正确;反应ⅰ为反应前后气体体积减小的反应,增大压强,平衡正向移动,反应物CO2(g)和H2(g)的量减少,反应ⅱ平衡逆向移动,所以加压有利于生成甲醇,但确定反应的平衡常数只与温度有关,温度不变化学平衡常数不变(易错点),所以增大压强反应ⅰ的平衡常数不变,故B错误;升高温度,题给两反应的化学反应速率都增大,反应ⅱ为吸热反应,升高温度,反应ⅱ平衡正向移动,其反应限度增大,故C正确;催化剂具有选择性、专一性和高效性,所以选用理想的催化剂可以提高甲醇在最终产物中的比例,故D正确。
2.C　其他条件相同,增大压强,反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)平衡正向移动,CH3OH的体积分数增大,所以p1>p2,A项正确;设a点CO2的转化量为x mol,则氢气的转化量为3x mol,甲醇的生成量为x mol,水的生成量为x mol,×100%=30%,解得x=0.75,所以CO2的转化率为×100%=75%,B项正确;温度越高、压强越大,反应速率越快,故v(a)3.答案　(1)①*HCOO+*H CO+*H2O　②bd
(2)①Ni/0.05Mg　4.8　②
解析　(1)①决定反应速率的步骤是活化能最大的步骤,由题图可知,该步骤的化学方程式为*HCOO+*H *CO+*H2O。
②催化剂不影响平衡转化率,a不符合题意;反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)为反应前后气体物质的量减小的反应,增大压强,平衡正向移动,可提高CO2的平衡转化率,b符合题意;增大CO2和H2的投料比,CO2的转化率降低,H2的转化率提高,c不符合题意;该反应为放热反应,降低温度,平衡正向移动,可提高CO2的平衡转化率,d符合题意。
(2)①由题图可知,三种催化剂中,Ni/0.05Mg催化时速率更快,效果更好;使用Ni催化反应,1.2 min达到A点,CO2的转化率为72%,参与反应的CO2的物质的量为0.72 mol,所以参与反应的H2的物质的量为2.88 mol,化学反应速率v(H2)==4.8 g·min-1。
②B点达到了平衡状态,CO2的转化率为90%,列三段式:
　　　 CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)
起始/mol　　1　　 5　 0　 　0
转化/mol　　0.9　　3.6　　 0.9　　1.8
平衡/mol　　0.1　　1.4　　 0.9　　1.8
Kp=。
能力提升练
1.AC　
图中对应等压过程的曲线是N,A项正确;M曲线是恒温下x(CH3OH)随压强改变的曲线,由图可知c点对应的温度不是250 ℃(破题关键),故c点对应的两种条件下反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)的平衡常数不同,B项错误;设起始时CO2、H2物质的量分别为a mol、3a mol,平衡时CO2转化的物质的量为x mol,列三段式如下:
CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)
起始/ mol　　a　　 3a　　 0　　 0
转化/ mol　　x　　 3x　　 x　　 x
平衡/ mol　　a-x　　 3a-3x　 　x　　 x
x(CH3OH)=0.10,即=0.1,解得x=a,所以CO2的平衡转化率为,C项正确;d点对应的温度为250 ℃,压强为8×105 Pa,b点对应的温度为270 ℃,压强为5×105 Pa,所以由d点到b点仅通过升温不能实现,D项错误。
2.答案　(1)CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41.03 kJ·mol-1　(2)低温、高压　(3)①c　②温度由523 K升到543 K时,主反应的平衡逆向移动的程度大于副反应的平衡正向移动的程度,故CO2平衡转化率降低;温度由523 K升到543 K,主反应的平衡逆向移动,且催化剂的活性降低,使主反应速率降低,故CH3OH实验产率降低　(4)p1>p2,高压有利于主反应正向进行,而高温有利于副反应发生,在高压条件下,需更高温度才能使副反应趋势大于主反应
解析　(1)将反应标号:反应①为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-48.97 kJ·mol-1;反应②为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH2=-90.0 kJ·mol-1;副反应为反应③CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH3,根据盖斯定律,反应③可由反应①-反应②得到,则ΔH3=ΔH1-ΔH2=[-48.97-(-90.0)] kJ·mol-1=+41.03 kJ·mol-1,该副反应的热化学方程式为CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH=+41.03 kJ·mol-1。
(2)由主、副反应特点可知,生成CH3OH的反应为放热反应,且正反应方向气体分子数减小,副反应为吸热反应,且反应前后气体分子数不变,则采用低温、高压有利于主反应的平衡正向移动,有利于提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率。
(3)①当温度为523 K时,CO2的实验转化率和CH3OH的实验产率最高,说明此温度下催化剂活性最好,故选c。
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