Question

【題目】催化還原CO2是解決溫室效應(yīng)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，CO2和H2可發(fā)生兩個平行反應(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=－53.7kJmol-1 I

CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2 II

某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1︰2.2，在相同壓強(qiáng)下，經(jīng)過相同反應(yīng)時間測得如下實驗數(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-283.0kJmol-1和-285.8kJmol-1。

②H2O(l)=H2O(g) △H3=+44.0kJmol-1

請回答（不考慮溫度對△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=______kJmol-1．

（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）表中實驗數(shù)據(jù)表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的選擇性有顯著的影響，其原因是___________________________。

（4）在如圖中分別畫出反應(yīng)I在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應(yīng)過程-能量”示意圖_________。

（5）研究證實，CO2也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，則生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在______極，該電極反應(yīng)式是_________。

Answer 1

【答案】 +41.2 CD 表中數(shù)據(jù)表明此時未達(dá)到平衡，不同的催化劑對反應(yīng)I的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響 陰 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】（1）反應(yīng)I的平衡常數(shù)表達(dá)式K=；由①CO和H2的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱分別為-283.0kJmol-1和-285.8kJmol-1以及②H2O(l)=H2O(g) △H3=+44.0kJmol-1，由蓋斯定律可得反應(yīng)II的△H2=-285.8kJmol-1-（-283.0kJmol-1）+44.0kJmol-1=+41.2kJmol-1．

（2）因為CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH的反應(yīng)是一個氣體分子數(shù)減少的放熱反應(yīng)，所以降溫或加壓可以使該反應(yīng)的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動。有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有降低反應(yīng)溫度或在投料比不變的條件下增加反應(yīng)物的濃度（即增大壓強(qiáng)），選CD。

（3）表中實驗數(shù)據(jù)表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的選擇性有顯著的影響，其原因是： 表中數(shù)據(jù)表明此時未達(dá)到平衡，不同的催化劑對反應(yīng)I的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響。

（4）加入催化劑可以降低反應(yīng)的活化能。由表中數(shù)據(jù)可知，Cat.2的催化效率比Cat.1高，所以反應(yīng)I在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應(yīng)過程-能量”示意圖為：。

（5）電解過程中，陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。由題意知，CO2在酸性水溶液中通過電解被二氧化碳還原為甲醇，則生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在陰極上，該電極反應(yīng)式是CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O。