Question

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

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

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

(1)反應Ⅰ的化學平衡常數表達式是K＝_______________________________。

(2)一定溫度下，在容積可變的密閉容器中進行反應Ⅱ，不能確定上述可逆反應已達到化學平衡狀態(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鍵斷裂的同時斷裂2 mol H—O鍵

(3)某實驗室控制一定的CO2和H2初始投料比，在相同壓強下，經過相同的反應時間測得如下實驗數據(其中“甲醇選擇性”是指轉化的CO2中生成甲醇的百分比)：

反應序號	T/K	催化劑	CO2轉化率/%	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對比表中①和③可發(fā)現：同樣催化劑條件下，溫度升高，CO2轉化率升高， 而甲醇的選擇性卻降低，請解釋甲醇選擇性降低的可能原因________________________________；

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

③有利于提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有____________。

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．降低反應溫度 d．投料比不變，增加反應物的濃度

e．增大CO2和H2的初始投料比

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

Answer 1

【答案】 AC 反應Ⅰ為生成甲醇的反應，該反應是放熱反應，因此升高溫度，平衡逆向進行，因此甲醇的產率減小，甲醇的選擇性降低 因為在該時間段內，使用Cu/ZnO納米片催化劑使反應Ⅰ比反應Ⅱ速率更快，因此測得該時間段內得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高 cd CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH＝－94.9 kJ·mol－1

【解析】

(1) 根據反應CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)及平衡常數概念書寫反應Ⅰ的平衡常數表達式；

(2)結合平移狀態(tài)的特征分析判斷；

(3) ①反應Ⅰ是放熱反應，根據溫度對化學平衡的影響分析；

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

③有利于提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率，需要使平衡向著正向移動，結合平衡移動原理分析；

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

(1) 根據反應ⅠCO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)可知，其平衡平衡常數表達式K=；

A．恒壓密閉容器中，氣體的物質的量越大，體積越大，CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)反應前后氣體的總物質的量不發(fā)生變化，則容積始終不變，無法說明反應到達平衡，故A錯誤；

B．生成n mol CO的同時消耗n mol H2O，說明正逆反應速率相等，此時反應到達平衡，故B正確；

C．混合氣體的質量始終不變，氣體的總體積也始終不變，由可知混合氣的密度始終不變，則無法說明反應到達平衡，故C錯誤；　

D．1 mol H—H鍵斷裂的同時斷裂2 mol H—O鍵，說明正逆反應速率相等，此時反應到達平衡，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轉化率降低；

②甲醇的選擇性卻提高的可能原因：因為在該時間內，使用Cu/ZnO納米片催化劑使反應I速率增加，因此測得該時間內得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高；

③a．使用Cu/ZnO納米棒做催化劑，不影響化學平衡，則無法提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率，故a錯誤；

b．使用Cu/ZnO納米片做催化劑，催化劑不影響平衡，無法提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率，故b錯誤；

c．該反應為放熱反應，降低反應溫度，平衡向著正向移動，可提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率，故c正確；

d．投料比不變，增加反應物氫氣的濃度，可提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率，故d正確；

e．增大CO2和H2的初始投料比，二氧化碳濃度增大，其轉化率降低，故e錯誤；

故答案為：cd；

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