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高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1微项目 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇——化学反应选择与反应条件优化当堂检测题
展开这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1微项目 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇——化学反应选择与反应条件优化当堂检测题，共12页。试卷主要包含了在刚性容器中发生反应，已知，6 kJ/ml，0 kJ/ml等内容，欢迎下载使用。
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.(2021河南省实验中学高二上期中)CH3OH是重要的化工原料,工业上用CO与H2在催化剂作用下合成CH3OH,其反应为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。按n(CO)∶n(H2)=1∶2,向密闭容器中充入反应物,测得平衡时混合物中CH3OH的体积分数在不同压强下随温度的变化如图所示。下列说法中,正确的是 ( )
A.p1
C.平衡常数:K(A)=K(B)
D.在C点时,CO的平衡转化率为75%
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c(CO2)c(H2)(a、b、c)的变化关系如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.投料比c(CO2)c(H2)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.(2021北京八中高二上期中)已知:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=-49.0 kJ·mol-1。一定条件下,向体积为1 L的密闭容器中充入1 mol CO2和3 mol H2,测得CO2和CH3OH(g)的浓度随时间变化曲线如图所示。下列叙述中,正确的是 ( )
A.升高温度能使n(CH3OH)n(CO2)增大
B.反应达到平衡状态时,CO2的平衡转化率为75%
C.3 min时,用CO2的浓度表示的正反应速率等于用CH3OH的浓度表示的逆反应速率
D.从反应开始到平衡,H2的平均反应速率v(H2)=0.075 mol·L-1·min-1
4.(2021安徽六安一中高二上开学)碳的化合物与人类生产、生活密切相关。在恒温恒压条件下,将CO和H2的混合气体在催化剂作用下转化为甲醇的反应为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0。
(1)下列一定能说明该反应达到平衡状态的是 (填字母)。
a.混合气体的密度不再变化
b.CO和H2的物质的量之比不再变化
c.v(CO)=v(CH3OH)
d.CO在混合气体中的质量分数保持不变
(2)T1 ℃时,在一个起始体积为5 L的恒压容器中充入1 mol CO、2 mol H2,经过5 min反应达到平衡,CO的转化率为0.75,则T1 ℃时,CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常数K= (mol/L)-2,达到平衡时容器体积为 L。
(3)在T1 ℃时,体积为5 L的恒容容器中充入一定量的H2和CO,反应达到平衡时CH3OH的体积分数与n(H2)n(CO)的关系如图所示。温度不变,当n(H2)n(CO)=2.5时,达到平衡状态,CH3OH的体积分数可能是图像中的 点。
能力提升练
1.(2021山东省实验中学高三上第一次诊断试卷,)在一定条件下,利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1,研究发现,反应过程中会发生副反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH2,温度对CH3OH、CO产率的影响如图所示。下列说法中不正确的是 ( )
A.ΔH1<0,ΔH2>0
B.增大压强有利于加快合成反应的速率
C.选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生
D.生产过程中,温度越高越有利于提高CH3OH的产率
2.(2021湖南长沙南雅中学高二上入学试卷,)CO是大气污染气体,可利用化学反应进行治理或转化。
(1)甲醇是重要的溶剂和燃料,工业上用CO和H2在一条件下制备CH3OH的反应为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) ΔH<0。
①T ℃时,向容积为2 L的恒容密闭容器中充入1 mol CO和1.2 mol H2,一段时间后达到平衡,此时H2与CH3OH的体积分数之比为2∶5,该反应的平衡常数K= ;此时若向容器中再通入0.4 mol CO和0.2 mol CH3OH(g),则平衡将 (填“向正反应方向”“不”或“向逆反应方向”)移动。
②在一容积可变的密闭容器中充入一定物质的量的CO和H2,测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。a、b、c三点平衡常数K(a)、K(b)、K(c)的大小关系是 。
(2)沥青混凝土可作为2CO(g)+O2(g) 2CO2(g)反应的催化剂。如图表示在相同的恒容密闭容器、相同起始浓度、反应相同的时间,使用相同质量的不同沥青混凝土(α型、β型)催化时,CO的转化率与温度的关系。
①a、b、c、d四点中表示平衡状态的是 。
②e点转化率出现突变的原因可能是 。
3.(2021辽宁抚顺高二上期中,)甲醇是一种可再生能源,具有开发和应用的广阔前景,工业上采用如下反应合成甲醇:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。
分析该反应并回答下列问题:
(1)①该反应的平衡常数表达式为K= 。
②下列各项中,能够说明该反应已达到平衡的是 。(填字母)
A.2v正(H2)=v逆(CO)
B.一定条件下,单位时间内消耗2 mol H2,同时生成1 mol CH3OH
C.恒温、恒容时,容器内的压强不再变化
D.恒温、恒容时,容器内混合气体的密度不再变化
E.混合气体的平均相对分子质量不随时间变化
(2)如图是该反应在不同温度下CO平衡转化率随时间的变化曲线。
①该反应的ΔH 0。(填“<”“>”或“=”)。
②T1和T2温度下的平衡常数:K1 K2。(填“<”“>”或“=”)
(3)某温度下,将2 mol CO和6 mol H2充入2 L的密闭容器中,充分反应,达到平衡后,测得c(CO)=0.2 mol/L,则CO的转化率为 。
(4)已知在常温常压下:
①2CH3OH(l)+3O2(g) 2CO2(g)+4H2O(g) ΔH=-1 275.6 kJ/mol
②2CO(g)+O2(g) 2CO2(g) ΔH2=-566.0 kJ/mol
③H2O(g) H2O(l) ΔH3=-44.0 kJ/mol
写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式: 。
(5)2019年10月,中国科学院长春应用化学研究所在甲醇燃料电池技术方面获得新突破,组装出了自呼吸电池及主动式电堆。甲醇燃料电池的工作原理如图所示。
①该电池工作时,b口通入的物质为 。
②该电池负极的电极反应式为 。
答案全解全析
基础过关练
1.D
2.C
3.B
1.D 在300 ℃时,增大压强,平衡正向移动,CH3OH的体积分数增大,所以p1>p2,故A错误;由图可知,升高温度,CH3OH的体积分数减小,平衡逆向移动,所以该反应的ΔH<0,故B错误;平衡常数只与温度有关,A、B点的温度不同,所以平衡常数不相等,故C错误;设向密闭容器中充入了1 mol CO和2 mol H2,CO转化的物质的量为x mol,利用“三段式”法:
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
起始物质的量(mol) 1 2 0
转化物质的量(mol) x 2x x
平衡物质的量(mol) 1-x 2-2x x
在C点时,CH3OH的体积分数=x1-x+2-2x+x=0.5,解得x=0.75,则CO的平衡转化率为0.75mol1mol×100%=75%,故D正确。
2.C 增大投料比c(CO2)c(H2),H2的平衡转化率增大,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,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;升高温度,H2的平衡转化率减小,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 ℃)
4.答案 (1)ad (2)75 2.5 (3)F
解析 (1)a项,恒温恒压条件下,该反应的正反应是气体体积减小的反应,反应前后气体总质量不变,所以当混合气体密度不再变化,说明反应达到平衡状态,故a正确;b项,如果投料时CO和H2的物质的量之比等于化学计量数之比,二者的物质的量之比始终不变,所以不能据此判断反应一定达到平衡状态;c项,无论反应是否达到平衡状态都存在v(CO)=v(CH3OH),所以不能据此判断反应是否达到平衡状态;d项,CO在混合气体中的质量分数保持不变时,CO的物质的量浓度不变,说明反应达到平衡状态,故选a、d。
(2)根据题意列出三段式:
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
起始量(mol) 1 2 0
转化量(mol) 0.75 1.5 0.75
平衡量(mol) 0.25 0.5 0.75
反应前气体的总物质的量=(1+2) mol=3 mol,平衡时气体的总物质的量=(0.25+0.5+0.75) mol=1.5 mol,根据恒温恒压条件下气体物质的量之比等于其体积之比可知,平衡后气体体积=5 L×1.5mol3mol=2.5 L,所以平衡时c(CO)=0.252.5 mol/L=0.1 mol/L,c(H2)=0.52.5 mol/L=0.2 mol/L,c(CH3OH)=0.752.5 mol/L=0.3 mol/L,化学平衡常数K=c平(CH3OH)c平(CO)·c平2(H2)=0.3mol/L0.1mol/L×(0.2mol/L)2=75 (mol/L)-2。
(3)在T1 ℃时,在体积为5 L的恒容容器中充入一定量的H2和CO,温度不变,当n(H2)n(CO)=2时,达到平衡状态,CH3OH的体积分数为C点,当n(H2)n(CO)=2.5时,相当于增加了H2的量,平衡正向移动,但甲醇的体积分数减小,故可能是F点。
能力提升练
1.D
1.D 根据图示可知,升高温度CH3OH的产率降低,CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)反应的平衡向逆反应方向移动,ΔH1<0,升高温度CO的产率增大,CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)反应的平衡向正反应方向移动,ΔH2>0,故A正确;CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)的正反应为气体体积减小的反应,增大压强有利于加快合成反应的速率,故B正确;催化剂有一定的选择性,选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生,故C正确;由图像可知,温度越高CH3OH的产率越低,故D错误。
2.答案 (1)①100 (mol/L)-2 向正反应方向 ②K(a)>K(b)>K(c)
(2)①c、d ②温度升高后催化剂失去活性
解析 (1)①设平衡时CH3OH的浓度为x mol/L,利用“三段式”法:
CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
起始浓度(mol/L) 0.5 0.6 0
转化浓度(mol/L) x 2x x
平衡浓度(mol/L) 0.5-x 0.6-2x x
平衡时H2与CH3OH的体积分数之比为2∶5,则(0.6-2x)∶x=2∶5,解得x=0.25,所以平衡常数K=c平(CH3OH)c平(CO)×c平2(H2)=0.250.25×0.12 (mol/L)-2=100 (mol/L)-2;此时若向容器中再通入0.4 mol CO和0.2 mol CH3OH(g),浓度商Q=c(CH3OH)c(CO)×c2(H2)=0.350.45×0.12(mol/L)-2≈77.8(mol/L)-2
(2)①当反应达到平衡状态后,升高温度平衡逆向移动,CO的转化率会降低,所以a、b、c、d四点中表示平衡状态的是c、d。②e点CO转化率出现突变的原因可能是温度升高后催化剂失去活性。
3.答案 (1)①c平(CH3OH)c平(CO)·c平2(H2) ②CE
(2)①< ②>
(3)80%
(4)CH3OH(l)+O2(g) CO(g)+2H2O(l) ΔH=-442.8 kJ/mol
(5)①CH3OH ②CH3OH-6e-+H2O 6H++CO2↑
解析 (1)①反应CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常数表达式为K=c平(CH3OH)c平(CO)·c平2(H2)。②A项,2v正(H2)=v逆(CO),正、逆反应速率不相等,不能说明反应达到平衡状态;B项,一定条件下,单位时间内消耗2 mol H2,同时生成1 mol CH3OH,均指正反应,不能说明反应达到平衡状态;C项,由化学方程式可以看出,反应前后气体的物质的量不相等,随反应的进行,容器内的压强发生变化,则恒温、恒容时,容器内的压强不再变化,说明反应达到平衡状态;D项,反应前后气体的质量和体积均不变,恒温、恒容时,容器内混合气体的密度始终不变,不能说明反应达到平衡状态;E项,反应前后气体物质的量不相等,气体质量不变,当混合气体的平均相对分子质量不随时间的变化而变化,说明反应达到平衡状态。
(2)①由图可知T2>T1,升高温度,平衡向吸热反应方向移动,而升高温度,CO的平衡转化率减小,说明平衡逆向移动,则该反应是放热反应,ΔH<0。
②该反应为放热反应,升高温度,化学平衡常数减小,又T2>T1,所以K1>K2。
(3)将2 mol CO和6 mol H2充入2 L的密闭容器中,充分反应,达到平衡后c(CO)=0.2 mol/L,则CO的转化率=2mol-0.2mol/L×2 L2mol×100%=80%。
(4)①2CH3OH(l)+3O2(g) 2CO2(g)+4H2O(g) ΔH=-1 275.6 kJ/mol
②2CO(g)+O2(g) 2CO2(g) ΔH2=-566.0 kJ/mol
③H2O(g) H2O(l) ΔH3=-44.0 kJ/mol
根据盖斯定律,将(①-②+③×4)×12,得CH3OH(l)+O2(g) CO(g)+2H2O(l) ΔH=-442.8 kJ/mol。
(5)由图中质子的移动方向可知,左边电极为负极,右边电极为正极,根据反应2CH3OH+3O2 2CO2+4H2O可知,C元素的化合价升高,氧气中氧元素的化合价降低,所以通入甲醇的一极为负极,通入氧气的一极为正极。①该电池工作时,b口通入的物质为CH3OH,c口通入的物质为O2。②负极上甲醇失电子发生氧化反应生成二氧化碳,电极反应为CH3OH-6e-+H2O 6H++CO2↑。
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