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专题跟踪检测（四）
1.（2024·贵州部分学校模拟）为了实现“碳中和”，CO2的综合利用成为科学家研究的热点。
（1）将CO2催化加氢制取CH3OH，通过下列步骤实现，反应过程中能量变化如图1所示。
CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）　ΔH＝－49kJ·mol－1。
（2）在2 L的绝热密闭容器中，按＝充入CO2和H2，在催化剂作用下合成甲醇。下列说法中说明主反应CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）达到平衡状态的是AD（填字母）。
A.CO2的转化率保持不变
B.混合气体的密度保持不变
C.断裂1 mol H—H同时形成1 mol O—H
D.容器内混合气体温度保持不变
（3）在密闭容器中通入CO2和H2的混合气体，制取甲醇过程中，存在竞争反应：
Ⅰ.CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）；
Ⅱ.CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）　ΔH＝＋41 kJ·mol－1。
在不同压强下，当按＝进料，反应达到平衡时，测得甲醇的物质的量分数与温度的关系如图2所示，物质a的物质的量分数：χa＝。
①图2中压强由小到大的顺序为p1＜p2＜p3，判断的依据是反应Ⅰ是气体体积减小的反应，反应Ⅱ是气体体积不变的反应，增大压强，反应Ⅰ平衡向右移动，反应Ⅱ平衡不移动，则χ（CH3OH）会增大。
②图2中，当p2＝10 MPa时发生上述反应，反应20 min达到平衡时，χ（CH3OH）＝0.1，则在0～20 min内用CH3OH的分压变化表示的速率v（CH3OH）＝0.05MPa·min－1，此时反应Ⅰ中CO2的转化率为16.7％（保留小数点后1位）。
③在压强为20 MPa时，发生上述反应并达到平衡状态，CO2平衡转化率为，χ（CH3OH）＝0.1，该温度下反应CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）的平衡常数Kp＝0.4（保留1位有效数字，用各组分的分压代替浓度计算平衡常数Kp，气体分压＝总压×物质的量分数）。
解析：（1）根据示意图可知，1 mol CO2（g）与3 mol H2（g）的总能量比1 mol CH3OH（g）与1 mol H2O（g）的总能量高49 kJ，故CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）　ΔH＝－49 kJ·mol－1。（2）CO2的转化率保持不变，可以说明反应达到平衡，A选；容器是恒容容器，反应体系中都是气体，故混合气体的密度始终不变，不能说明达到平衡，B不选；断裂1 mol H—H同时形成1 mol O—H都描述的正反应方向，不能说明达到平衡，C不选；容器是绝热容器，故混合气体的温度不变，说明单位时间内吸收的热量等于放出的热量，即正、逆反应速率相等，能说明达到平衡，D选。（3）①反应Ⅰ是气体体积缩减的反应，反应Ⅱ是气体体积不变的反应，增大压强，反应Ⅰ平衡向右移动，反应Ⅱ平衡不移动，则χ（CH3OH）会增大，所以图2中压强从小到大的顺序是p1＜p2＜p3；②当p2＝10 MPa，反应20 min达到平衡时，χ（CH3OH）＝0.1，则平衡时p（CH3OH）＝ 10 MPa×0.1＝1 MPa，用CH3OH的分压变化表示的速率v（CH3OH）＝＝0.05 MPa·min－1；由于＝，设投料n（CO2）＝1 mol，n（H2）＝3 mol，起始时总物质的量为4 mol，反应Ⅱ是反应前后气体分子数不变的反应，设反应Ⅰ中生成CH3OH的物质的量为a mol，列三段式
　 　　　CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）
起始/mol 1 3 0 0
转化/mol a 3a a a
平衡/mol 1－a 3－3a a a
平衡时n总＝4－2a，则＝0.1，解得a＝，则反应Ⅰ中CO2的转化率为×100％≈16.7％；③根据已知数据，设投料n（CO2）＝1 mol，n（H2）＝3 mol，反应ⅠCO2转化了x mol，反应ⅡCO2转化了y mol，列出下列算式：
　 　　　CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）
转化/mol x 3x x x
平衡/mol 　 　 x
　　　　　CO2（g）＋H2（g） CO（g）＋H2O（g）
转化/mol y y y y
平衡/mol 3－3x－y y x＋y
CO2转化了，有x＋y＝，χ（CH3OH）＝0.1，有＝0.1，根据两个方程解得x＝，y＝，则平衡时n（H2）＝ mol，n（CO）＝ mol，n（H2O）＝ mol，根据χ（CH3OH）＝0.1，其物质的量为 mol，可以得知p（CO2）＝0.1×20 MPa＝2 MPa，p（H2）＝10 MPa，p（CO）＝2 MPa， p（H2O）＝4 MPa，则反应CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）　Kp＝＝＝0.4。
2.（2024·江西部分学校联考）我国科学家开发新催化剂，高选择性实现丙烷脱氢制备丙烯。
反应原理：
Ⅰ.CH3CH2CH3（g）CH3CHCH2（g）＋H2（g）　ΔH1＝＋123 kJ·mol－1；
Ⅱ.CH3CH2CH3（g）CH2CH2（g）＋CH4（g）　ΔH2。
（1）几种共价键的键能数据如下：
共价键 H—C H—H C—C CC
键能（E）/（kJ·mol－1） 413 436 347 614
反应Ⅰ在高温（填“高温”“低温”或“任意温度”）条件下自发进行，ΔH2＝＋80kJ·mol－1。
（2）一定温度下，在恒容密闭容器中充入1 mol C3H8（g），发生上述反应Ⅰ和反应Ⅱ。下列叙述正确的是AC（填字母）。
A.混合气体平均摩尔质量不变时达到平衡状态
B.达到平衡时H2体积分数最大为50％
C.平衡后，再充入少量的丙烷，丙烷的平衡转化率减小
D.升高温度，反应Ⅰ和Ⅱ的平衡常数都减小
（3）在恒压密闭反应器中充入一定量的丙烷和不同量的Ar，发生上述反应Ⅰ和反应Ⅱ，丙烷平衡转化率与温度、投料比关系如图所示。
①正反应速率：m＞n（填“＞”“＜”或“＝”）。
②相同温度时，随着投料比（η）增大，丙烷平衡转化率增大的原因是总压强和温度不变，投料比增大，反应体系总分压减小，平衡正向移动。
（4）在1 L恒容密闭容器中充入1 mol C3H8（g）和适量催化剂M发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，测得相同时间内丙烷的转化率、丙烯的选择性与温度关系如图所示。
某温度下，丙烷的平衡转化率为80％，此时丙烯的选择性为60％。该温度下，反应Ⅰ的平衡常数K＝1.152。［已知：丙烯的选择性＝×100％］
解析：（1）反应Ⅰ的正反应是熵增的吸热反应，根据ΔG＝ΔH－TΔS可知，反应Ⅰ可在高温下自发进行；根据键能可得ΔH2＝（2×347－614）kJ·mol－1＝＋80 kJ·mol－1。（2）反应过程中混合气体总质量不变，气体总物质的量增大，平均摩尔质量减小，当平均摩尔质量不变时达到平衡，A项正确；可逆反应不能完全反应，且反应Ⅰ和Ⅱ同时发生，故平衡时H2体积分数小于50％，B项错误；平衡时再充入丙烷，相当于对原平衡体系加压，平衡逆向移动，则丙烷平衡转化率减小，C项正确；题述两个反应都是吸热反应，升高温度，平衡常数都增大，D项错误。（3）①反应Ⅰ和Ⅱ的正反应均是吸热反应，其他条件相同，升温，丙烷平衡转化率增大，故T1高于T2。丙烷平衡转化率相同，即反应物的浓度：m点＞n点，且m点温度较高，正反应速率较大，即正反应速率：m＞n；②温度相同，总压强相同，令丙烷为1 mol，增大投料比即增大氩气量，反应体系的总分压减小，平衡正向移动，故丙烷平衡转化率增大。（4）设达到平衡时反应Ⅰ消耗了x mol丙烷，反应Ⅱ消耗了y mol丙烷，x＋y＝0.8，x＝（y＋x）×0.6，解得：x＝0.48，y＝0.32，则平衡时，c（C3H8）＝0.2 mol·L－1，c（C3H6）＝c（H2）＝0.48 mol·L－1，K＝＝1.152。
3.（2024·辽宁部分重点中学协作体模拟）甲醇是一种化工产品，也是清洁能源。工业上利用废气中的CO2制备CH3OH的方案有：
方案1：
反应1：CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）
副反应：CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g）　ΔH＝＋41 kJ·mol－1
方案2：
反应2：CO2（g）＋2H2O（g）CH3OH（g）＋O2（g）
上述两个反应的焓变和熵变如下表：
反应 ΔH/（kJ·mol－1） ΔS/（J·mol－1·K－1）
反应1 －49 －177
反应2 ＋676 －44
（1）上述两种方案中，工业上选择方案1，理由是方案1能耗小（或方案1在较低温度下能自发进行），而方案2通过改变温度不能自发进行。
（2）已知几种共价键的键能数据如下：
共价键 CO H—H C—O C—H O—H
键能/（kJ·mol－1） E 436 358 413 467
利用表格数据和上述焓变估算E＝820.5。
（3）在恒容密闭容器中充入CO2和H2仅发生反应：CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g），CO2的平衡转化率与投料比、温度的关系如图所示。
①T1＜T2（填“＞”“＜”或“＝”）。a点时CH3OH的体积分数为16.7％（保留到小数点后1位）。
②a→c与横坐标轴呈平行线，其原因是投料比增大对CO2平衡转化率的影响与升温的影响恰好抵消。
（4）一定温度下，在密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2，只发生反应：CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g），达到平衡时CO2、CH3OH的浓度与压强的关系如图所示。
①曲线Ⅱ代表CH3OH（填“CH3OH”或“CO2”）。
②M点CO2的平衡转化率为50％。
（5）一定温度下，在总压保持2.5a kPa下。向反应器中充入1 mol CO2和2.3 mol H2，发生方案1的两个反应，达到平衡时测得CO2的转化率为50％，CH3OH的选择性为80％［CH3OH的选择性＝×100％］。该温度下，方案1中反应1的Kp＝　kPa－2（Kp为用分压替代浓度计算的平衡常数，分压＝总压×物质的量分数）。
解析：（1）反应1放热、反应2吸热，方案1能耗小，方案1在较低温度下能自发进行，而方案2通过改变温度不能自发进行，所以工业上选择方案1。（2）CO2（g）＋3H2（g）CH3OH（g）＋H2O（g）　ΔH＝－49 kJ·mol－1，ΔH＝反应物总键能－生成物总键能，则（2E＋3×436）kJ·mol－1－（413×3＋358＋467＋467×2）kJ·mol－1＝－49 kJ·mol－1，E＝820.5 kJ·mol－1。（3）①投料比相同，升高温度，平衡逆向移动，CO2的平衡转化率减小，所以T1＜T2。a点时，氢气和二氧化碳的投料比为3，设氢气投料为3 mol，二氧化碳投料为1 mol，二氧化碳平衡转化率为50％，则反应消耗1.5 mol氢气、0.5 mol二氧化碳，反应生成0.5 mol甲醇、0.5 mol水，平衡体系中含有1.5 mol氢气、0.5 mol二氧化碳、0.5 mol甲醇、0.5 mol水，CH3OH的体积分数为×100％≈16.7％。②投料比增大对CO2平衡转化率的影响与升温的影响恰好抵消，所以a→c与横坐标轴呈平行线。（4）①增大压强，平衡正向移动，甲醇浓度增大，曲线Ⅱ代表CH3OH。②M点CO2、CH3OH的浓度相等，根据碳元素守恒，CO2的平衡转化率为50％。（5）一定温度下，在总压保持2.5a kPa下，向反应器中充入1 mol CO2和2.3 mol H2，发生方案1的两个反应，达到平衡时测得CO2的转化率为50％，CH3OH的选择性为80％，则参加反应1的二氧化碳为0.4 mol，反应1消耗1.2 mol氢气、生成0.4 mol甲醇、生成0.4 mol水，副反应消耗0.1 mol二氧化碳、消耗0.1 mol氢气、生成0.1 mol一氧化碳、生成0.1 mol水，则平衡体系中气体总物质的量为3.3 mol－0.8 mol＝2.5 mol，平衡体系中二氧化碳为0.5 mol、氢气为1 mol、甲醇为0.4 mol、水为0.5 mol，该温度下，方案1中反应1的Kp＝kPa－2＝ kPa－2。
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