Question

【題目】催化還原CO2是解決溫室效應(yīng)及能源問(wèn)題的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化劑存在下，在CO2中通入H2，二者可發(fā)生以下兩個(gè)平行反應(yīng)：

反應(yīng)Ⅰ CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－53.7 kJ·mol－1

反應(yīng)Ⅱ CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1

(1)反應(yīng)Ⅰ的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式是K＝_______________________________。

(2)一定溫度下，在容積可變的密閉容器中進(jìn)行反應(yīng)Ⅱ，不能確定上述可逆反應(yīng)已達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是_____________

A.體系的體積不再發(fā)生變化 　 B.生成n mol CO的同時(shí)消耗n mol H2O

C.混合氣的密度不再改變 　 D.1 mol H—H鍵斷裂的同時(shí)斷裂2 mol H—O鍵

(3)某實(shí)驗(yàn)室控制一定的CO2和H2初始投料比，在相同壓強(qiáng)下，經(jīng)過(guò)相同的反應(yīng)時(shí)間測(cè)得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(其中“甲醇選擇性”是指轉(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分比)：

反應(yīng)序號(hào)	T/K	催化劑	CO2轉(zhuǎn)化率/%	甲醇選擇性/%
①	543	Cu/ZnO納米棒	12.3	42.3
②	543	Cu/ZnO納米片	10.9	72.7
③	553	Cu/ZnO納米棒	15.3	39.1
④	553	Cu/ZnO納米片	12.0	71.6

①對(duì)比表中①和③可發(fā)現(xiàn)：同樣催化劑條件下，溫度升高，CO2轉(zhuǎn)化率升高， 而甲醇的選擇性卻降低，請(qǐng)解釋甲醇選擇性降低的可能原因________________________________；

②對(duì)比表中①、②可發(fā)現(xiàn)，在同樣溫度下，采用Cu/ZnO納米片使CO2轉(zhuǎn)化率降低， 而甲醇的選擇性卻提高，請(qǐng)解釋甲醇的選擇性提高的可能原因___________________________________________。

③有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有____________。

a．使用Cu/ZnO納米棒做催化劑 b．使用Cu/ZnO納米片做催化劑

c．降低反應(yīng)溫度 d．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度

e．增大CO2和H2的初始投料比

(4)反應(yīng)混合氣體經(jīng)過(guò)降溫加壓可分離出甲醇，剩余氣體可再次充入反應(yīng)器繼續(xù)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)往復(fù)后混合氣體中CO的含量已經(jīng)很高，可以在另外容器中在合適的催化劑條件下使CO和H2反應(yīng)合成CH3OH（g），寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：_______________________________。

Answer 1

【答案】 AC 反應(yīng)Ⅰ為生成甲醇的反應(yīng)，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此升高溫度，平衡逆向進(jìn)行，因此甲醇的產(chǎn)率減小，甲醇的選擇性降低 因?yàn)樵谠摃r(shí)間段內(nèi)，使用Cu/ZnO納米片催化劑使反應(yīng)Ⅰ比反應(yīng)Ⅱ速率更快，因此測(cè)得該時(shí)間段內(nèi)得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高 cd CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH＝－94.9 kJ·mol－1

【解析】

(1) 根據(jù)反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)及平衡常數(shù)概念書寫反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)表達(dá)式；

(2)結(jié)合平移狀態(tài)的特征分析判斷；

(3) ①反應(yīng)Ⅰ是放熱反應(yīng)，根據(jù)溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響分析；

②使用Cu/ZnO納米片催化劑使反應(yīng)I速率增加，該時(shí)間內(nèi)得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高；

③有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，需要使平衡向著正向移動(dòng)，結(jié)合平衡移動(dòng)原理分析；

(4) 已知：反應(yīng)Ⅰ CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－53.7 kJ·mol－1，反應(yīng)Ⅱ CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1，由蓋斯定律可知：反應(yīng)Ⅰ-反應(yīng)Ⅱ可得CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)，由此計(jì)算ΔH。

(1) 根據(jù)反應(yīng)ⅠCO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)可知，其平衡平衡常數(shù)表達(dá)式K=；

A．恒壓密閉容器中，氣體的物質(zhì)的量越大，體積越大，CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)反應(yīng)前后氣體的總物質(zhì)的量不發(fā)生變化，則容積始終不變，無(wú)法說(shuō)明反應(yīng)到達(dá)平衡，故A錯(cuò)誤；

B．生成n mol CO的同時(shí)消耗n mol H2O，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，此時(shí)反應(yīng)到達(dá)平衡，故B正確；

C．混合氣體的質(zhì)量始終不變，氣體的總體積也始終不變，由可知混合氣的密度始終不變，則無(wú)法說(shuō)明反應(yīng)到達(dá)平衡，故C錯(cuò)誤；　

D．1 mol H—H鍵斷裂的同時(shí)斷裂2 mol H—O鍵，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，此時(shí)反應(yīng)到達(dá)平衡，故D正確；

故答案為AC；

(3) ①同樣催化劑條件下，溫度升高，CO2轉(zhuǎn)化率升高，而甲醇的選擇性卻降低的可能原因：在同樣溫度下，采用Cu/ZnO納米片使CO2轉(zhuǎn)化率降低；

②甲醇的選擇性卻提高的可能原因：因?yàn)樵谠摃r(shí)間內(nèi)，使用Cu/ZnO納米片催化劑使反應(yīng)I速率增加，因此測(cè)得該時(shí)間內(nèi)得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高；

③a．使用Cu/ZnO納米棒做催化劑，不影響化學(xué)平衡，則無(wú)法提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，故a錯(cuò)誤；

b．使用Cu/ZnO納米片做催化劑，催化劑不影響平衡，無(wú)法提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，故b錯(cuò)誤；

c．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度，平衡向著正向移動(dòng)，可提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，故c正確；

d．投料比不變，增加反應(yīng)物氫氣的濃度，可提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，故d正確；

e．增大CO2和H2的初始投料比，二氧化碳濃度增大，其轉(zhuǎn)化率降低，故e錯(cuò)誤；

故答案為：cd；

(4) 已知：反應(yīng)Ⅰ CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1＝－53.7kJ·mol－1，反應(yīng)Ⅱ CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH2＝＋41.2 kJ·mol－1，由蓋斯定律可知：反應(yīng)Ⅰ-反應(yīng)Ⅱ可得CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)，則ΔH=(－53.7 kJ·mol－1)-(＋41.2 kJ·mol－1)=－94.9 kJ·mol－1， 即CO和H2反應(yīng)合成CH3OH(g)的熱化學(xué)方程式為CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH＝－94.9 kJ·mol－1。