《2025年5年高考3年模拟高中化学全一册人教B版》

7.(2024辽宁部分重点中学协作体模拟，18)甲醇是一种化工产品，也是清洁能源。工业上利用废气中的$CO_{2}$制备$CH_{3}OH$的方案有：
方案1 反应1：$CO_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons CH_{3}OH(g)+H_{2}O(g)$
副反应：$CO_{2}(g)+H_{2}(g)\rightleftharpoons CO(g)+H_{2}O(g)$ $\Delta H = +41\ kJ\cdot mol^{-1}$
方案2 反应2：$CO_{2}(g)+2H_{2}O(g)\rightleftharpoons CH_{3}OH(g)+\frac{3}{2}O_{2}(g)$
上述两个反应的焓变和熵变如下表：

(1)上述两种方案中，工业上选择方案1，理由是____________________________。
(2)已知几种共价键的键能数据如下：

利用表格数据和上述焓变估算$E = $________$kJ\cdot mol^{-1}$。
(3)在恒容密闭容器中充入$CO_{2}$和$H_{2}$仅发生反应：$CO_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons CH_{3}OH(g)+H_{2}O(g)$，$CO_{2}$的平衡转化率与投料比、温度的关系如图所示。

①$T_{1}$________$T_{2}$(填“＞”“＜”或“=”)。a点时$CH_{3}OH$的体积分数为__________%(保留到小数点后1位)。
②$a→c$与横坐标轴平行，其原因是________。
(4)一定温度下，在密闭容器中充入1 mol $CO_{2}$和3 mol $H_{2}$，只发生反应：$CO_{2}(g)+3H_{2}(g)\rightleftharpoons CH_{3}OH(g)+H_{2}O(g)$。达到平衡时$CO_{2}$、$CH_{3}OH$的浓度与压强的关系如图所示。

①曲线Ⅱ代表________(填“$CH_{3}OH$”或“$CO_{2}$”)。
②M点$CO_{2}$的平衡转化率为________%。
(5)一定温度下，在总压保持2.5a kPa下，向反应器中充入1 mol $CO_{2}$和2.3 mol $H_{2}$，发生方案1的两个反应，达到平衡时测得$CO_{2}$的转化率为50%，$CH_{3}OH$的选择性为80%[$CH_{3}OH$的选择性$=\frac{n(CH_{3}OH)}{n(CO)+n(CH_{3}OH)}\times100\%$]。该温度下，方案1中反应1的$K_{p} = $________$kPa^{-2}$($K_{p}$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)。

答案： 答案
(1)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)820.5
(3)①＜ 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
(4)①CH₃OH ②50％
(5)$\frac{0.4}{a²}$
解析
(2)反应的焓变等于反应物的键能之和减去生成物的键能之和，利用反应1(ΔH = -49 kJ·mol⁻¹)仔细计算，不要多算或者遗漏化学键。
(3)①反应1的ΔH＜0，在相同条件下，温度越高，CO₂的平衡转化率越低，则T₁＜T₂；读题图可知a点时，投料比为3，CO₂的平衡转化率为50％，设起始时CO₂为1 mol，列三段式如下：
　　　　　CO₂(g) + 3H₂(g)⇌CH₃OH(g) + H₂O(g)
始(mol)　　1　　　　3　　　　　　0　　　　　　0
变(mol)　　0.5　　　　1.5　　　　　0.5　　　　　0.5
平(mol)　　0.5　　　　1.5　　　　　0.5　　　　　0.5
则CH₃OH的体积分数为$\frac{0.5 mol}{3 mol}$×100％≈16.7％。②随着投料比增大，CO₂的平衡转化率升高，但a→c与横坐标轴平行，则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)①反应1为气体分子数减小的反应，增大压强，CO₂的平衡转化率升高，CH₃OH的产率增大，理论上CO₂的浓度减小，CH₃OH的浓度增大，则曲线Ⅱ代表CH₃OH。②M点时，CO₂与CH₃OH的浓度相等，根据碳原子守恒，可知CO₂的平衡转化率为50％。
(5)方案1中的两个反应是竞争型反应，根据CO₂的平衡转化率为50％，CH₃OH的选择性为80％，结合碳原子守恒，可知生成CH₃OH 0.4 mol(1 mol×50％×80％)，生成CO 0.1 mol，则平衡时体系中CO₂为0.5 mol，H₂为1 mol，CH₃OH为0.4 mol，CO为0.1 mol，H₂O为0.5 mol，体系中气体的总物质的量为2.5 mol，则Kₚ = $\frac{p(CH₃OH)·p(H₂O)}{p(CO₂)·p³(H₂)}$ = $\frac{\frac{0.4}{2.5}×2.5a kPa×\frac{0.5}{2.5}×2.5a kPa}{\frac{0.5}{2.5}×2.5a kPa×(\frac{1}{2.5}×2.5a kPa)³}$ = $\frac{0.4}{a²}$ kPa⁻²。