Question

【題目】2018年，美國退出了《巴黎協(xié)定》實行再工業(yè)化戰(zhàn)略，而中國卻加大了環(huán)保力度，生動詮釋了我國負(fù)責(zé)任的大國形象。近年我國大力加強(qiáng)溫室氣體CO2催化氫化合成甲醇技術(shù)的工業(yè)化量產(chǎn)研究，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

(1)已知：I.CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) △H1=+41.1kJ/mol

II.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2=－90.0kJ/mol

寫出CO2催化氫化合成甲醇的熱化學(xué)方程式:________。

(2)為提高CH3OH的產(chǎn)率，理論上應(yīng)采用的條件是________(填選項字母）。

a.高溫高壓 b.低溫低壓 c.高溫低壓 d.低溫高壓

(3)250℃時，在恒容密閉容器中由CO2(g)催化氫化合成 CH3OH(g)，不同投料比[n(H2)/n(CO2)]時某反應(yīng)物X的平衡轉(zhuǎn)化率變化曲線如圖所示。反應(yīng)物X是_______(填“CO2”或“H2”），判斷依據(jù)是_______。

(4)250℃時，在體積為2.0 L的恒容密閉容器中加入6mol H2、2mol CO2和催化劑發(fā)生 CO2催化氫化合成甲醇的反應(yīng)，10 min時反應(yīng)達(dá)到平衡，測得c(CH3OH) = 0.75 mol L-1。

①前10 min內(nèi)的平均反應(yīng)速率H2=_______ mol L-1 min-1。

②該溫度下，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K =_______。

③催化劑和反應(yīng)條件與反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的選擇性高度相關(guān)。控制相同投料比和相同反應(yīng)時間，四組實驗數(shù)據(jù)如下表所示：

實驗編號	溫度(K)	催化劑	CO2轉(zhuǎn)化率(%)	甲醇選擇性(%)
A	543	Cu/ZnO納米棒	12.3	42.3
B	543	Cu/ZnO納米片	11.9	72.7
C	553	Cu/ZnO納米棒	15.3	39.1
D	553	Cu/ZnO納米片	12.0	70.6

根據(jù)上表所給數(shù)據(jù)，用CO2生產(chǎn)甲醇的最優(yōu)選項為________（填字母）。

Answer 1

【答案】3H2(g) + CO2(g) CH3OH(g) + H2O(g) △H=－48.9kJ/mol d CO2 恒容密閉容器中，其他條件相同時，增大n(H2)/n(CO2)，相當(dāng)于c(CO2)不變時，增大c(H2)，平衡正向移動，使CO2的轉(zhuǎn)化率增大，而H2的轉(zhuǎn)化率降低 0.225 5.33（或16/3） B

【解析】

(1) 已知：I.CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) △H1=+41.1kJ/mol

II.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2=－90.0kJ/mol

根據(jù)蓋斯定律，將兩個熱化學(xué)方程式相加可得：3H2(g) + CO2(g) CH3OH(g) + H2O(g) △H=－48.9kJ/mol；

(2)根據(jù)熱化學(xué)方程式可知，生成CH3OH的方向是放熱反應(yīng)方向，也是氣體體積減小的方向，故要想提高CH3OH的產(chǎn)率，需要降溫高壓，故選d；

(3)觀察圖中的橫坐標(biāo)，其物理量為n(H2)/n(CO2)，假設(shè)n(CO2)為定值，則X的轉(zhuǎn)化率隨n(H2)的增大而增大，則X為CO2；故判斷依據(jù)是恒容密閉容器中，其他條件相同時，增大n(H2)/n(CO2)，相當(dāng)于c(CO2)不變時，增大c(H2)，平衡正向移動，使CO2的轉(zhuǎn)化率增大，而H2的轉(zhuǎn)化率降低；

(4)

①在同一容器中，CH3OH濃度變化量為0.75 mol L-1，則有（mol L-1）

	3H2(g)	CO2(g)	CH3OH(g)	H2O(g)
起始	3	1	0	0
轉(zhuǎn)化	2.25	0.75	0.75	0.75
平衡	0.75	0.25	0.75	0.75

H2的濃度變化量為2.25mol L-1，則前10min的平均反應(yīng)速率v(H2)=0.225 mol L-1 min-1；

②K==

③選擇性是指產(chǎn)物的專一性，在一個化學(xué)反應(yīng)中若有多個產(chǎn)物，其中某一產(chǎn)物是目標(biāo)產(chǎn)物，若這個物質(zhì)的產(chǎn)率越高，說明反應(yīng)的選擇性越好。觀察四組數(shù)據(jù)，相比之下，BD的選擇性很高，且B的CO2轉(zhuǎn)化率比D稍低些，但是B的CH3OH的選擇性高出了不少，故選B。