高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第1节 化学反应的方向精品测试题

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.有平衡体系:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0,为了增加甲醇(CH3OH)的产量,应采用的正确措施是(　　)

A.高温、高压

B.适宜温度、高压、催化剂

C.低温、低压

D.高温、高压、催化剂

2.(2020辽宁丹东凤城第一中学高三月考)在刚性容器中发生反应:2CO2(g)+6H2(g) C2H5OH(g)+3H2O(g),一定压强下,平衡时H2的转化率α(H2)随温度T、投料比(a、b、c)的变化关系如图所示。下列说法错误的是(　　)

A.投料比的大小关系是a>b>c

B.图中M点对应的平衡,若容积不变,充入He,则α(H2)不变

C.该反应的平衡常数K(600 ℃)>K(500 ℃)

D.若上图表示相同投料时,不同压强下α(H2)随T的变化关系,则压强最大的是a

3.(2020甘肃武山一中高二期中)中国政府承诺,到2020年,单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%~50%。CO2可转化成有机物实现碳循环。在容积为1 L的密闭容器中,充入1 mol CO2和3 mol H2,一定条件下发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH,测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间的变化如下图所示。

(1)从3 min到9 min,v(H2)=　　　　　　　　。 

(2)能说明上述反应达到平衡状态的是　　　　　　。 

A.反应中CO2与CH3OH的物质的量浓度之比为1∶1(即图中交叉点)

B.混合气体的密度不随时间的变化而变化

C.单位时间内消耗3 mol H2,同时生成1 mol H2O

D.CO2的体积分数在混合气体中保持不变

(3)平衡时CO2的转化率为　　　　　　　。 

(4)平衡时混合气体中CH3OH(g)的体积分数是　　　　　　　　　。 

(5)该条件下反应进行到9 min时的v逆(CH3OH)    (填“大于”“小于”或“等于”)反应进行到3 min时的v正(CH3OH)。

4.(2020广东深圳人大附中高二上期中)研究与深度开发CO、CO2的应用对构建生态文明社会具有重要的意义。

(1)CO可用于炼铁。高炉炼铁过程中发生的主要反应为Fe2O3(s)+CO(g) Fe(s)+CO2(g),已知该反应在不同温度下的平衡常数如下:

则该反应的平衡常数表达式K=　　　　　,ΔH　    (填“>”“<”或“=”)0。

(2)CO2可用于生产燃料甲醇。一定条件下可发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH,为探究该反应原理,将1 mol CO2和3 mol H2充入一容积为1 L的恒容密闭容器中,分别在250 ℃、T ℃下发生反应,测得甲醇的物质的量随时间的变化如下图所示。

请分析并回答下列问题:

250 ℃时,反应在前10 min的平均速率v(H2)=　　　mol·L-1·min-1,从反应开始到平衡,CO2转化率为　　　　　。相同温度下,若某时刻该容器中含有1 mol H2、1.2 mol CO2、0.8 mol CH3OH、1.5 mol H2O,则此时反应　　　　　　　　(填“向正反应方向进行”“向逆反应方向进行”或“达到平衡状态”)。 

能力提升练

1.()在2 L恒容密闭容器中发生反应:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH<0。在不同条件下,向该容器中充入2 mol CO,有关信息如图所示,下列说法正确的是(　　)

A.T1<T2

B.T1 ℃时该反应的平衡常数为4 L2·mol-2

C.同一温度下,n(H2)/n(CO)越大,平衡常数也越大

D.相同条件下n(H2)/n(CO)越大,CO和H2的转化率也越大

2.(2020上海复旦大学附属中学高三上期中,)以CO2为碳源制取低碳有机物成为国际研究焦点,下面为CO2加氢制取乙醇的反应:2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g)　ΔH=-Q kJ/mol(Q>0),在密闭容器中,按H2与CO2的物质的量之比为3∶1进行投料,在5 MPa下测得不同温度下平衡体系中各种物质的体积分数(y%)如下图所示。

(1)表示CH3CH2OH体积分数曲线的是　　　　(填序号);在一定温度下反应达到平衡的标志是　　　(填字母)。 

a.平衡常数K不再增大

b.CO2的转化率不再增大

c.混合气体的平均相对分子质量不再改变

d.反应物不再转化为生成物

(2)其他条件恒定,如果想增大CO2的反应速率,可以采取的措施是　　　　(填字母,下同);达到平衡后,能提高H2转化率的操作是　　　　。 

a.降低温度 b.充入更多的H2

c.移去乙醇 d.增大容器容积

(3)图中曲线Ⅱ和Ⅲ的交点a对应物质的体积分数ya=　　　　%。 

3.(2020湖南湘东七校高三联考,)C、N、S的氧化物常会造成一些环境问题,科研工作者正在研究用各种化学方法来消除这些物质对环境的不利影响。

(1)研究减少CO2排放是一项重要课题。CO2经催化加氢可以生成低碳有机物,主要有以下反应:

反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.6 kJ/mol

反应Ⅱ:CH3OCH3(g)+H2O(g) 2CH3OH(g)　ΔH2=+23.4 kJ/mol

反应Ⅲ:2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH3

①ΔH3=　　　　kJ/mol。 

②在恒定压强、T1温度下,将6 mol CO2和12 mol H2充入容积为3 L的密闭容器中发生反应Ⅰ、Ⅲ,5 min后反应达到平衡状态,此时CH3OH(g)物质的量为2 mol,CH3OCH3(g)的物质的量为0.5 mol,则T1温度时反应Ⅰ的平衡常数K的计算式为　。 

③恒压下将CO2和H2按体积比1∶3混合,在不同催化剂作用下发生反应Ⅰ和反应Ⅲ,在相同的时间段内CH3OH的选择性和产率随温度(℃)的变化如下图。其中:CH3OH的选择性=×100%。

在上述条件下合成甲醇的工业条件是　。 

A.210 ℃ B.230 ℃

C.催化剂CZT D.催化剂CZ(Zr-1)T

(2)一定条件下,可以通过CO与SO2反应生成S和一种无毒的气体,实现燃煤烟气中硫的回收,写出该反应的化学方程式:　　　　　　　　　　　　。在不同条件下,向容积为2 L的恒容密闭容器中通入2 mol CO和1 mol SO2,反应体系总压强随时间的变化如图所示: 

①图中三组实验从反应开始至达到平衡时,反应速率v(CO)最大的为　　　(填序号)。 

②与实验a相比,实验c改变的实验条件可能是　　　　　　。 

答案全解全析

基础过关练

1.B　此反应ΔH<0,升高温度平衡逆向移动,甲醇的产率减小,A错误;适宜的温度和催化剂,有利于反应速率增大,此反应为气体体积减小的反应,故增大压强可使反应正向移动,B正确;减小压强,平衡逆向移动,不利于甲醇的产出,C错误;升高温度,可使平衡逆向移动,甲醇的产率减小,D错误。

2.C　增大投料比,H2的转化率增大,所以a>b>c,A项正确;题图中M点对应的平衡,若容积不变,充入He,则反应物和生成物的浓度都不发生改变,平衡不发生移动,α(H2)不变,B项正确;温度升高,H2的转化率减小,说明平衡逆向移动,正反应为放热反应,所以该反应的平衡常数K(600 ℃)<K(500 ℃),C项错误;若题图表示相同投料时,不同压强下α(H2)随T的变化关系,压强增大,平衡正向移动,H2的转化率增大,所以压强最大的是a,D项正确。

3.答案　(1)0.125 mol·L-1·min-1　(2)D　(3)75%　(4)30%　(5)小于

解析　(1)从3 min到9 min,CO2浓度变化为0.50 mol·L-1-0.25 mol·L-1=0.25 mol·L-1,CO2反应速率为0.25 mol·L-1÷(9 min-3 min)= mol·L-1·min-1,v(H2)=3×v(CO2)=0.125 mol·L-1·min-1。

(2)反应中CO2与CH3OH的物质的量浓度之比为1∶1(即题图中交叉点),此时浓度相等而不是不变,A错误;反应前后,气体质量不变,容器容积不变,则气体密度始终不变,不能判断是否平衡,B错误;每消耗3 mol H2,就会生成1 mol H2O,C错误;CO2的体积分数在混合气体中保持不变,说明正、逆反应速率相等,达到平衡状态,D正确。(3)由题图可知平衡时CO2的浓度为0.25 mol·L-1,则转化率为×100%=75%。

(4)　　　　　　　CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

起始(mol/L): 1 3 0 0

转化(mol/L): 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡(mol/L): 0.25 0.75 0.75 0.75

则平衡时混合气体中CH3OH(g)的体积分数为×100%=30%。

(5)该条件下反应进行到9 min时达到平衡,v逆(CH3OH)=v正(CH3OH),随着反应的进行,正反应速率逐渐减小,则反应进行到9 min时的v逆(CH3OH)小于反应进行到3 min时的v正(CH3OH)。

4.答案　(1)　<

(2)0.225　75%　向正反应方向进行

解析　(1)根据方程式分析,该反应的平衡常数K=,由题表中数据可知温度升高,平衡常数减小,说明该反应为放热反应,即DH<0。

(2)　　　　　　CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

起始(mol·L-1) 1 3 0 0

改变(mol·L-1) 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡(mol·L-1) 0.25 0.75 0.75 0.75

用单位时间氢气浓度变化量表示的反应速率为=0.225 mol·L-1·min-1,二氧化碳的转化率为×100%=75%。该温度下的平衡常数K== L2·mol-2,相同温度下,若某时刻该容器中含有1 mol H2、1.2 mol CO2、0.8 mol CH3OH、1.5 mol H2O,有Q==1 L2·mol-2<K,说明该反应向正反应方向进行。

能力提升练

1.B　此反应是放热反应,降低温度,平衡向正反应方向移动,CO的转化率增大,即T1>T2,A项错误;

　　　　　　CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)

起始(mol): 2 3 0

变化(mol): 1 2 1

平衡(mol): 1 1 1

根据化学平衡常数的定义,K=,代入数据,得K=4 L2·mol-2,B项正确;化学平衡常数只受温度的影响,温度不变,则化学平衡常数不变,C项错误;相同条件下n(H2)/n(CO)增大,氢气的转化率减小,CO的转化率增大,D项错误。

2.答案　(1)Ⅱ　bc　(2)b　ac　(3)18.75

解析　(1)在反应2CO2(g)+6H2(g) CH3CH2OH(g)+3H2O(g)中,每反应消耗2 mol CO2,同时会生成1 mol CH3CH2OH(g)、3 mol H2O(g)。生成的CH3CH2OH的物质的量是H2O的三分之一,所以符合条件的曲线为Ⅱ。化学平衡常数K只与温度有关,与是否达到平衡状态无关,a错误;CO2的转化率不再增大,即达到反应限度,反应处于平衡状态,b正确;反应前后气体物质的量减少,质量不变,所以混合气体的平均相对分子质量不再改变时反应达到平衡状态,c正确;反应达到平衡状态时正、逆反应仍在进行,反应物仍然转化为生成物,d错误。(2)降低温度,反应速率减小,平衡正向移动;补充H2,反应物的浓度增大,反应速率加快,化学平衡正向移动;移去乙醇,生成物浓度减小,反应速率减小,平衡向正反应方向移动;增大容器容积,压强减小,各物质的浓度减小,反应速率减小,平衡逆向移动。(3)a点为Ⅱ和Ⅲ的交点,设此时Ⅱ表示的C2H5OH的物质的量为n,那么Ⅲ表示的H2的物质的量也为n,由于按H2与CO2的物质的量之比为3∶1进行投料,则反应也是按照3∶1关系进行,所以平衡时CO2的物质的量为n,生成的H2O的物质的量为C2H5OH的三倍,为3n,故a点对应的物质的体积分数ya=×100%=18.75%。

3.答案　(1)①-122.6　②　③BD

(2)2CO+SO2 S+2CO2　①b　②升高温度

解析　(1)①根据盖斯定律,由反应Ⅰ×2-反应Ⅱ可得2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)　ΔH3,则ΔH3=-49.6 kJ/mol×2-23.4 kJ/mol=-122.6 kJ/mol。

②　　　　　CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

转化(mol): 2 6 2 2

平衡(mol): 2 2

　　　　　　2CO2(g)+6H2(g) CH3OCH3(g)+3H2O(g)

转化(mol): 1 3 0.5 1.5

平衡(mol): 0.5 1.5

则平衡时,n(CO2)=3 mol,n(H2)=3 mol,n(CH3OH)=2 mol,n(CH3OCH3)=0.5 mol,n(H2O)=3.5 mol,保持恒压状态,则平衡后的体积=×12 L=2 L,平衡时的浓度c(CO2)=1.5 mol/L,c(H2)=1.5 mol/L,c(CH3OH)=1 mol/L,c(H2O)=1.75 mol/L,反应Ⅰ的平衡常数K=。

③根据题图可知,选择CZ(Zr-1)T催化剂在230 ℃时产率最高,则合成甲醇的工业条件是BD。

(2)CO与SO2反应生成S和一种无毒的气体,根据原子守恒,可推断该无毒物质为二氧化碳,则反应的化学方程式为2CO+SO2 S+2CO2。①反应速率越大,达到平衡状态所用的时间越短,根据题图可知,实验b达到平衡状态所用的时间最短,反应速率最大。