【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,CO2和H2可發(fā)生兩個(gè)平行反應(yīng),分別生成CH3OH和CO,反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1=﹣53.7kJmol1
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2
某實(shí)驗(yàn)室控制CO2和H2初始投料比為1:2.2,在相同壓強(qiáng)下,經(jīng)過(guò)相同反應(yīng)時(shí)間測(cè)得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):

T(K)

催化劑

CO2轉(zhuǎn)化率(%)

甲醇選擇性(%)

543

Cat.1

12.3

42.3

543

Cat.2

10.9

72.7

553

Cat.1

15.3

39.1

553

Cat.2

12.0

71.6

[備注]Cat.1:Cu/ZnO納米棒;Cat.2:Cu/ZnO納米片;甲醇選擇性;轉(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分比
已知:①CO和H2的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱分別為﹣283.0kJmol1和﹣285.8kJmol1
②H2O(1)═H2O(g)△H3=44.0kJmol1
請(qǐng)回答(不考慮溫度對(duì)△H的影響):
(1)反應(yīng)I的平衡常數(shù)表達(dá)式K=;反應(yīng)Ⅱ的△H2=kJmol1
(2)有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有
A.使用催化劑Cat.1
B.使用催化劑Cat.2
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
(3)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在相同溫度下不同的催化劑對(duì)CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的選擇性有顯著的影響,其原因是
(4)在如圖中分別畫(huà)出反應(yīng)I在無(wú)催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應(yīng)過(guò)程﹣能量”示意圖.
(5)研究證實(shí),CO2也可在酸性水溶液中通過(guò)電解生成甲醇,則生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在極,該電極反應(yīng)式是

【答案】
(1);+41.2
(2)C,D
(3)表中數(shù)據(jù)表明此時(shí)未達(dá)到平衡,不同的催化劑對(duì)反應(yīng)Ⅰ的催化能力不同,因而再該時(shí)刻下對(duì)甲醇選擇性有影響
(4)


(5)陰;CO2+6H++6e=CH3OH+H2O
【解析】(1)平衡常數(shù)為生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值. 已知:CO和H2的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱分別為﹣283.0kJmol1和﹣285.8kJmol1 , ②H2O(1)═H2O(g)△H3=44.0kJmol1 , 可知熱化學(xué)方程式a.CO(g)+ O2(g)=CO2(g)△H=﹣283.0kJmol1 , b.H2(g)+ O2(g)=H2O(1)△H=﹣285.8kJmol1 , c.H2O(1)═H2O(g)△H3=44.0kJmol1 ,
由蓋斯定律將b﹣a+c可得CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2 =(﹣285.8+283.0+44)kJmol1=+41.2kJmol1
所以答案是: ;+41.2;
(2)A.使用催化劑Cat.1,平衡不移動(dòng),不能提高轉(zhuǎn)化率,故A錯(cuò)誤;
B、使用催化劑Cat.2,不能提高轉(zhuǎn)化率,故B錯(cuò)誤;
C、降低反應(yīng)溫度,平衡正向移動(dòng),可增大轉(zhuǎn)化率,故C正確;
D、投料比不變,增加反應(yīng)物的濃度,衡正向移動(dòng),可增大轉(zhuǎn)化率,故D正確;
E、增大 CO2和H2的初始投料比,可增大氫氣的轉(zhuǎn)化率,二氧化碳的轉(zhuǎn)化率減小,故E錯(cuò)誤.
所以答案是:CD;
(3)從表中數(shù)據(jù)分析,在相同溫度下,不同的催化劑二氧化碳的轉(zhuǎn)化率不同,說(shuō)明不同的催化劑的催化能力不同,相同的催化劑不同的溫度,二氧化碳的轉(zhuǎn)化率不同,且溫度高的轉(zhuǎn)化率大,因?yàn)檎磻?yīng)為放熱反應(yīng),說(shuō)明表中數(shù)據(jù)是未達(dá)到平衡數(shù)據(jù).
所以答案是:表中數(shù)據(jù)表明此時(shí)未達(dá)到平衡,不同的催化劑對(duì)反應(yīng)Ⅰ的催化能力不同,因而再該時(shí)刻下對(duì)甲醇選擇性有影響;
(4)從表中數(shù)據(jù)分析,在催化劑Cat.2的作用下,甲醇的選擇性更大,說(shuō)明催化劑Cat.2對(duì)反應(yīng)Ⅰ催化效果更好,催化劑能降低反應(yīng)的活化能,說(shuō)明使用催化劑Cat.2的反應(yīng)過(guò)程中活化能更低,所以答案是:
(5)CO2也可在酸性水溶液中通過(guò)電解生成甲醇,C元素化合價(jià)降低,被還原,應(yīng)為電解池的陰極反應(yīng),
所以答案是:陰;CO2+6H++6e=CH3OH+H2O.
【考點(diǎn)精析】解答此題的關(guān)鍵在于理解化學(xué)平衡狀態(tài)本質(zhì)及特征的相關(guān)知識(shí),掌握化學(xué)平衡狀態(tài)的特征:“等”即 V正=V逆>0;“動(dòng)”即是動(dòng)態(tài)平衡,平衡時(shí)反應(yīng)仍在進(jìn)行;“定”即反應(yīng)混合物中各組分百分含量不變;“變”即條件改變,平衡被打破,并在新的條件下建立新的化學(xué)平衡;與途徑無(wú)關(guān),外界條件不變,可逆反應(yīng)無(wú)論是從正反應(yīng)開(kāi)始,還是從逆反應(yīng)開(kāi)始,都可建立同一平衡狀態(tài)(等效),以及對(duì)化學(xué)平衡的計(jì)算的理解,了解反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率=轉(zhuǎn)化濃度÷起始濃度×100%=轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量÷起始物質(zhì)的量×100%;產(chǎn)品的產(chǎn)率=實(shí)際生成產(chǎn)物的物質(zhì)的量÷理論上可得到產(chǎn)物的物質(zhì)的量×100%.

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