Question

【題目】催化還原CO2是解決溫室效應(yīng)及能源問(wèn)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(gè)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）ΔH1=-53.7kJ·mol-1 I

CO2（g）+H2（g） CO（g）+H2O（g）ΔH2 II

某實(shí)驗(yàn)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(guò)相同反應(yīng)時(shí)間測(cè)得如下實(shí)驗(yàn)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(qǐng)回答（不考慮溫度對(duì)ΔH的影響）：

（1）反應(yīng)I的逆反應(yīng)平衡常數(shù)表達(dá)式K= ；反應(yīng)II的ΔH2= kJ·mol-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．增大CO2和H2的初始投料比 E．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度

（3）表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同溫度下不同的催化劑對(duì)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(wú)催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應(yīng)過(guò)程~能量”示意圖。

Answer 1

【答案】（1） +41.2 （2）CE （3）表中數(shù)據(jù)表明此時(shí)反應(yīng)未達(dá)到平衡，不同的催化劑對(duì)反應(yīng)Ⅰ的催化能力不同，因而在該時(shí)刻下對(duì)甲醇選擇性有影響。（每空2分）

（4）

【解析】

試題分析：（1）平衡常數(shù)是指反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)生成物的濃度冪之積與反應(yīng)物濃度的冪之積的比值，因此該可逆反應(yīng)的逆反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為 。已知CO和H2的燃燒熱分別為-283.0kJ·mol-1和-285.8kJ·mol-1，則①：CO（g）+O2（g）=CO2（g） △H= -283.0kJ·mol-1

②：H2（g）+O2（g）=H2O （l）△H=-285.8kJ·mol-1

③：H2O（l）＝H2O（g） ΔH3=44.0kJ·mol-1

根據(jù)蓋斯定律分析，②－①＋③即可得熱化學(xué)方程式為：CO2（g）+ H2（g）CO（g）+H2O（g）ΔH2=-285.8+283.0+44=+41.2 kJ·mol-1。

（2）反應(yīng)Ⅰ中A、使用催化劑，平衡不移動(dòng)，不能提高轉(zhuǎn)化率，A錯(cuò)誤；B、使用催化劑，平衡不移動(dòng)，不能提高轉(zhuǎn)化率，B錯(cuò)誤；C、降低反應(yīng)溫度，平衡正向移動(dòng)，提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，C正確；D、增大二氧化碳和氫氣的初始投料比，能提高氫氣的轉(zhuǎn)化率，二氧化碳的會(huì)降低，D錯(cuò)誤；E、投料比不變，增加反應(yīng)的濃度，平衡正向移動(dòng)，提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，E正確；答案選CE。

（3）從表格數(shù)據(jù)分析，在相同的溫度下，不同的催化劑，其二氧化碳的轉(zhuǎn)化率也不同，說(shuō)明不同的催化劑的催化能力不同；相同催化劑不同的溫度，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率不同，且溫度高的轉(zhuǎn)化率大，因?yàn)檎�反�?yīng)為放熱反應(yīng)，說(shuō)明表中數(shù)據(jù)是未到平衡數(shù)據(jù)。

（4）催化劑能降低反應(yīng)的活化能，但不能改變平衡狀態(tài)。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知催化劑2的催化效果要好于催化劑1的催化效果，則圖像為（見(jiàn)答案）。