Question

【題目】（1）2017年中科院某研究團(tuán)隊通過設(shè)計一種新型Na-Fe3O4/HZSM-5多功能符合催化劑，成功實現(xiàn)了CO2直接加氫制取辛烷值汽油，該研究成果被評價為“CO2催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的突破性進(jìn)展”。

已知：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1=-285.8kJ/mol

C8H18 (1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH3=-5518kJ/mol

試寫出25℃、101kPa條件下，CO2與H2反應(yīng)生成汽油（以C8H18表示）的熱化學(xué)方程式________

（2）利用CO2及H2為原料，在合適的催化劑（如Cu/ZnO催化劑）作用下，也可合成CH3OH，涉及的反應(yīng)有：

甲：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H=-53.7 kJ·mol-1平衡常數(shù) K1

乙：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H=+41.2 kJ·mol-1平衡常數(shù)K2

①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數(shù)K=______(用含K1、K2的表達(dá)式表示)，該反應(yīng)H_____0（填“大于”或“小于”）。

②提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有___________（填寫兩項）。

③催化劑和反應(yīng)體系的關(guān)系就像鎖和鑰匙的關(guān)系一樣，具有高度的選擇性。下列四組實驗，控制CO2和H2初始投料比均為1：2.2，經(jīng)過相同反應(yīng)時間（t1min）

溫度（K）	催化劑	CO2轉(zhuǎn)化率（%）	甲醇選擇性（%）	綜合選項
543	Cu/ZnO納米棒材料	12.3	42.3	A
543	Cu/ZnO納米片材料	11.9	72.7	B
553	Cu/ZnO納米棒材料	15.3	39.1	C
553	Cu/ZnO納米片材料	12.0	71.6	D

由表格中的數(shù)據(jù)可知，相同溫度下不同的催化劑對CO2的轉(zhuǎn)化為CH3OH的選擇性有顯著影響，根據(jù)上表所給數(shù)據(jù)結(jié)合反應(yīng)原理，所得最優(yōu)選項為___________（填字母符號）。

（3）以CO、H2為原料合成甲醇的反應(yīng)為：CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)。在體積均為2L的三個恒容密閉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分別都充入1molCO和2molH2，三個容器的反應(yīng)溫度分別為T1、T2、T3且恒定不變。圖1為三個容器中的反應(yīng)均進(jìn)行到5min時H2的體積分?jǐn)?shù)示意圖，其中有一個容器反應(yīng)一定達(dá)到平衡狀態(tài)。CO的平衡轉(zhuǎn)化率在不同壓強下隨溫度的變化如圖所示。

①0～5 min時間內(nèi)容器Ⅱ中用CH3OH表示的化學(xué)反應(yīng)速率為__________。

②三個容器中一定達(dá)到平衡狀態(tài)的是容器________（填寫容器代號）。

③工業(yè)實際合成CH3OH生產(chǎn)中，采用圖2中M點而不是N點對應(yīng)的反應(yīng)條件，運用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡知識，同時考慮生產(chǎn)實際，說明選擇該反應(yīng)條件的理由_________________________。

Answer 1

【答案】 8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1)+16H2O(1) ΔH=-1627KJ/mol K=K1/K2 小于 降低溫度、減少產(chǎn)物濃度 B 0.0875mol/(L·min) Ⅲ M點的轉(zhuǎn)化率較高，化學(xué)反應(yīng)速率大，設(shè)備承壓力小（若答為：M點轉(zhuǎn)化率較高，催化劑活性大，設(shè)備承壓力小等合理答案得分）

【解析】（1）已知：①H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1=-285.8kJ/mol，

②C8H18 (1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH3=-5518kJ/mol，

根據(jù)蓋斯定律，由①×25-②得反應(yīng)方程式：8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1) +16H2O(1) ΔH=20ΔH1-ΔH2=-285.8kJ/mol ×25-(-5518kJ/mol)= -1627kJ/mol；

(2) ①已知甲：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H=-53.7 kJ·mol-1平衡常數(shù) K1

乙：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H=+41.2 kJ·mol-1平衡常數(shù)K2

根據(jù)蓋斯定律，由甲-乙得反應(yīng)CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數(shù)K=；△H=-53.7 kJ·mol-1-41.2 kJ·mol-1=-94.9 kJ·mol-1<0；②反應(yīng)CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)是氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有降低溫度、減少產(chǎn)物濃度、按比例充入原料CO2和H2等；③由表中數(shù)據(jù)分析在相同溫度下不同催化劑對甲醇的選擇性有顯著影響，使用Cu/ZnO納米片催化劑時甲醇選擇性高；使用相同的催化劑在不同溫度下，雖然二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增加，甲醇的選擇性卻減小，說明溫度升高，副產(chǎn)物增加，因此綜合考慮選B選項；（3）①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)

開始時的物質(zhì)的量：1 2 0

轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量： a 2a a

平衡時的物質(zhì)的量：1-a 2-2a a

容器Ⅱ中0～5 min內(nèi)H2含量是20%，a=，v(CH3OH)= 0.0875mol/(L·min)；②Ⅲ中溫度高氫氣含量高，說明達(dá)到平衡升高溫度平衡逆向移動，氫氣含量增加；③溫度高化學(xué)反應(yīng)速率增大，M點的轉(zhuǎn)化率較高，化學(xué)反應(yīng)速率大，設(shè)備承壓力小或M點轉(zhuǎn)化率較高，催化劑活性大，設(shè)備承壓力小，因此選擇M點條件。