《2025年红对勾高考一轮复习金卷化学》

17.(2024·河北石家庄三模)CO₂转化为高附加值的产品是应对气候变化和能源高速消耗的有效措施，我国科学家研究在CO₂加氢制备甲醇方面取得一定进展。在一定温度和压强下，CO₂加氢制备甲醇的过程中主要发生如下三个反应，反应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ对应的平衡常数分别为Kₐ、Kᵦ和Kₑ。
Ⅰ.CO(g)+2H₂(g)⇌CH₃OH(g) ΔH₁ = -90.77 kJ·mol⁻¹
Ⅱ.CO₂(g)+H₂(g)⇌CO(g)+H₂O(g) ΔH₂
Ⅲ.CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g) ΔH₃ = -49.16 kJ·mol⁻¹
回答下列问题：
(1)ΔH₂ = ______________；Kₐ、Kᵦ和Kₑ三者之间的关系为_______。
(2)为提高甲醇的平衡产率，可通过________（填“升高”或“降低”）温度、_______（填“增大”或“减小”）压强来实现。
(3)在两种不同的条件下，CO₂的平衡转化率和CH₃OH的选择性如表所示。条件_______（填“1”或“2”）中甲醇的产率更高。

(4)T℃时，将n(H₂)∶n(CO₂)=5∶3的混合气体充入压强为a MPa的恒压密闭容器中，在催化剂的作用下发生如下两个反应：
①CO₂(g)+H₂(g)⇌CO(g)+H₂O(g)
②CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)
反应达到平衡状态时，H₂和CO₂的分压相等，甲醇的选择性是CO的2倍，则CO₂的平衡转化率为_______，反应②的Kₚ = ______________（MPa）⁻²（列出计算式即可，分压 = 总压×物质的量分数）。

答案：
(1)+41.61 kJ·mol⁻¹ $K_{c}=K_{a}\cdot K_{b}$
(2)降低 增大
(3)2
(4)50%或0.5 $\frac{(\frac{1.5}{6}\times a)\times(\frac{1}{6}\times a)}{(\frac{1.5}{6}\times a)^{3}\times(\frac{1.5}{6}\times a)}$
解析:
(1)利用盖斯定律，反应Ⅲ = 反应Ⅰ + 反应Ⅱ，解出ΔH₂ = ΔH₃ - ΔH₁ = +41.61 kJ·mol⁻¹。平衡常数Kₑ = $K_{a}\cdot K_{b}$。
(2)反应Ⅰ和反应Ⅲ中，均在低温和增压条件下，有利于提高甲醇的平衡产率，降低温度，反应Ⅱ平衡逆移，抑制副反应的发生，增大压强对反应Ⅱ无影响。
(3)比较条件1和条件2时甲醇的产率，根据信息可知，受CO₂的平衡转化率和甲醇的选择性共同影响，将两者相乘，计算出的数值越大，甲醇产率越高。
(4)n(H₂)∶n(CO₂)=5∶3，设n(H₂)=5mol，n(CO₂)=3mol，依据题给信息CH₃OH的选择性是CO的2倍，设转化生成的CH₃OH为2x mol，则生成的CO为x mol。列三段式:
CO₂(g)+H₂(g)⇌CO(g)+H₂O(g)
起始量/mol 3 5 0 0
转化量/mol x x x x
平衡量/mol 3 - x - 2x 5 - x - 6x x x + 2x
CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)
起始量/mol 3 5 0 0
转化量/mol 2x 6x 2x 2x
平衡量/mol 3 - x - 2x 5 - x - 6x 2x x + 2x
依据反应达到平衡状态时，H₂和CO₂的分压相等，则n(H₂)=n(CO₂)，3 - x - 2x = 5 - x - 6x，解得x = 0.5，代入三段式:
CO₂(g)+H₂(g)⇌CO(g)+H₂O(g)
起始量/mol 3 5 0 0
转化量/mol 0.5 0.5 0.5 0.5
平衡量/mol 1.5 1.5 0.5 1.5
CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)
起始量/mol 3 5 0 0
转化量/mol 1 3 1 1
平衡量/mol 1.5 1.5 1 1.5
n(总)=n(H₂)+n(CO₂)+n(CH₃OH)+n(CO)+n(H₂O)=6mol，H₂的物质的量分数为$\frac{1.5}{6}\times100\%$，CO₂的物质的量分数为$\frac{1.5}{6}\times100\%$，CH₃OH的物质的量分数为$\frac{1}{6}\times100\%$，H₂O的物质的量分数为$\frac{1.5}{6}\times100\%$，在a MPa下进行反应，则反应②的Kₚ = $\frac{(\frac{1.5}{6}\times a)\times(\frac{1}{6}\times a)}{(\frac{1.5}{6}\times a)^{3}\times(\frac{1.5}{6}\times a)}$(MPa)⁻²，同时，计算出CO₂的平衡转化率为$\frac{0.5 + 1}{3}\times100\% = 50\%$。