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)的熱化學方程式如下：

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

CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2 II

某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1：2.2，在相同壓強下，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的標準燃燒熱分別為-283.0kJ·mol-1和-285.8kJ·mol-1

②H2O(l)=H2O(g) ΔH3=44.0kJ·mol-1

請回答（不考慮溫度對ΔH的影響）：

(1)反應(yīng)I的平衡常數(shù)表達式K=___；

(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___。

Answer 1

【答案】 CD 表中數(shù)據(jù)表明此時反應(yīng)未達到平衡，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

【解析】

(1)反應(yīng)I為CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，平衡常數(shù)表達式K=生成物濃度冪的乘積與反應(yīng)物濃度冪的乘積之比；

(2)A．使用催化劑Cat.1，對甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率不產(chǎn)生影響；

B．使用催化劑Cat.2，對甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率不產(chǎn)生影響；

C．反應(yīng)I為放熱反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度，平衡正向移動；

D．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度，相當于加壓；

E．增大CO2和H2的初始投料比，平衡正向移動，但CO2的轉(zhuǎn)化率減小。

(3)在相同溫度下，達平衡前，不同的催化劑對同一反應(yīng)的催化能力不同，因而選擇性不同。

(4)同一反應(yīng)，使用不同的催化劑，活化能不同，但不影響反應(yīng)物和生成物的總能量。從表中數(shù)據(jù)可以看出，Cat.2的選擇性更高，因而對反應(yīng)的活化能影響更大。

(1)反應(yīng)I為CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，平衡常數(shù)表達式K=。答案為：；

(2)A．使用催化劑Cat.1，對甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率不產(chǎn)生影響，A不合題意；

B．使用催化劑Cat.2，對甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率不產(chǎn)生影響，B不合題意；

C．反應(yīng)I為放熱反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度，平衡正向移動，從而增大CO2的轉(zhuǎn)化率，C符合題意；

D．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度，相當于加壓，平衡正向移動，CO2的轉(zhuǎn)化率增大，D符合題意；

E．增大CO2和H2的初始投料比，平衡正向移動，但CO2的轉(zhuǎn)化率減小，E不合題意；

故選CD。答案為：CD；

(3)在相同溫度下，達平衡前，不同的催化劑對同一反應(yīng)的催化能力不同，因而選擇性不同，其原因是：表中數(shù)據(jù)表明此時反應(yīng)未達到平衡，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。答案為：表中數(shù)據(jù)表明此時反應(yīng)未達到平衡，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)同一反應(yīng)，不同的催化劑，活化能降低程度不同，但不影響反應(yīng)物和生成物的總能量。從表中數(shù)據(jù)可以看出，Cat.2的選擇性更高，因而對反應(yīng)的活化能影響更大。則示意圖為：

。答案為：。