Question

【題目】2018年，美國退出了《巴黎協定》實行再工業化戰略，而中國卻加大了環保力度，生動詮釋了我國負責任的大國形象。近年我國大力加強溫室氣體CO2催化氫化合成甲醇技術的工業化量產研究，實現可持續發展。

（1）已知：CO2(g)+H2(g)H2O(g) +CO(g)　ΔH1 = + 41.1 kJmol-1

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH2=－90.0 kJmol-1

寫出CO2催化氫化合成甲醇的熱化學方程式：_______。

（2）為提高CH3OH產率，理論上應采用的條件是_______（填字母）。

a.高溫高壓 b.低溫低壓 c.高溫低壓 d.低溫高壓

（3）250℃、在恒容密閉容器中由CO2(g)催化氫化合成CH3OH(g)，下圖為不同投料比[n(H2)/n(CO2)]時某反應物X平衡轉化率變化曲線。

① 反應物X是_______（填“CO2”或“H2”）。

② 判斷依據是_______。

（4）250℃、在體積為2.0L的恒容密閉容器中加入6mol H2、2mol CO2和催化劑，10min時反應達到平衡，測得c(CH3OH) = 0.75 mol· L－1。

① 前10min的平均反應速率v(H2)＝_______ mol·L－1·min －1。

② 化學平衡常數K = _______。

③ 催化劑和反應條件與反應物轉化率和產物的選擇性有高度相關。控制相同投料比和相同反應時間，四組實驗數據如下：

實驗編號	溫度（K）	催化劑	CO2轉化率（%）	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	span>553	Cu/ZnO納米片	12.0	70.6

根據上表所給數據，用CO2生產甲醇的最優選項為_______（填字母）。

Answer 1

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

【解析】

本題主要考察化學平衡的移動；

（1）考察蓋斯定律，將兩個熱化學方程相加即可；

（2）考察化學平衡移動；

（3）考察反應物的平衡轉化率，及影響因素；

（4）考察化學反應速率、化學平衡常數、產物的選擇性。

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

（2）根據熱化學方程式可知，生成CH3OH的方向是放熱反應方向，也是氣體體積減小的方向，故要想提高CH3OH的產率，需要降溫高壓，故合理選項為d；

（3）觀察圖中的橫坐標，其物理量為，若假設n(CO2)為定值，則X的轉化率隨n(H2)的增大而增大，則X為CO2；

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

	3H2 (g)	CO2 (g)	CH3OH(g)	H2O(g)
	3	1	1	1
起始	3	1	0	0
轉化	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2.25 mol· L－1，則前10min的平均反應速率v(H2)=0.225 mol· L－1；

②K==；

③選擇性是指產物的專一性，在一個化學反應中若有多個產物，其中某一產物是目標產物，若這個物質的產率越高，說明該反應的選擇性越好。觀察四組數據，相比之下，BD的選擇性很高，且B的CO2轉化率比D稍低些，但是B的CH3OH的選擇性高出了不少，故最佳選項為B。