Question

【題目】(1)2017年中科院某研究團隊通過設計一種新型Na-Fe3O4/HZSM-5多功能復合催化劑，成功實現了CO2直接加氫制取辛烷值汽油，該研究成果被評價為“CO2催化轉化領域的突破性進展”。

已知：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1 = －aKJ/mol

C8H18(1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH2= －bKJ/mol

試寫出25℃、101kPa條件下，CO2與H2反應生成汽油(以C8H18表示)的熱化學方程式_________________________________。

(2)利用CO2及H2為原料，在合適的催化劑(如Cu/ZnO催化劑)作用下，也可合成CH3OH，涉及的反應有：

甲：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H= — 53.7kJ·mol-1 平衡常數K1

乙：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H= + 41.2kJ·mol-1 平衡常數K2

①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數K=______(用含K1、K2的表達式表示)，該反應△H_____0(填“大于”或“小于”)。

②提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有___________(填寫兩項)。

③催化劑和反應體系的關系就像鎖和鑰匙的關系一樣，具有高度的選擇性。下列四組實驗，控制CO2和H2初始投料比均為1：2.2，經過相同反應時間(t1min)。

溫度(K)	催化劑	CO2轉化率(%)	甲醇選擇性(%)	綜合選項
543	Cu/ZnO納米棒材料	12.3	42.3	A
543	Cu/ZnO納米片材料	11.9	72.7	B
553	Cu/ZnO納米棒材料	15.3	39.1	C
553	Cu/ZnO納米片材料	12.0	70.6	D

由表格中的數據可知，相同溫度下不同的催化劑對CO2的轉化為CH3OH的選擇性有顯著影響，根據上表所給數據結合反應原理，所得最優選項為___________(填字母符號)。

(3)以CO、H2為原料合成甲醇的反應為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在體積均為2L的三個恒容密閉容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分別都充入1molCO和2molH2，三個容器的反應溫度分別為T1、T2、T3且恒定不變。下圖為三個容器中的反應均進行到5min時H2的體積分數示意圖，其中有一個容器反應一定達到平衡狀態。

①0～5min時間內容器Ⅱ中用CH3OH表示的化學反應速率為_________________。

②三個容器中一定達到平衡狀態的是容器________(填寫容器代號)。

Answer 1

【答案】8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1)+16H2O(1) ΔH=—（25a-b）KJ/mol K= 小于 降低溫度、減小產物濃度 B 0.0875mol/(L·min) Ⅲ

【解析】

(1)已知：①H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1 =—aKJ/mol；

②C8H18(1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH2=—bKJ/mol

根據蓋斯定律，由①×25-②得反應方程式：8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1) +16H2O(1) ΔH=25ΔH1-ΔH2=ΔH=—（25a-b）KJ/mol；

(2) ①已知甲：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=-53.7 kJ·mol-1平衡常數K1

乙：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H=+41.2 kJ·mol-1平衡常數K2；根據蓋斯定律，由甲-乙得反應CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的平衡常數K=；△H=-53.7 kJ·mol-1-41.2 kJ·mol-1=-94.9 kJ·mol-1<0；②反應CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)是氣體體積縮小的放熱反應，提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有降低溫度、減少產物濃度、按比例充入原料CO2和H2等；③由表中數據分析在相同溫度下不同催化劑對甲醇的選擇性有顯著影響，使用Cu/ZnO納米片催化劑時甲醇選擇性高；使用相同的催化劑在不同溫度下，雖然二氧化碳的轉化率增加，甲醇的選擇性卻減小，說明溫度升高，副產物增加，因此綜合考慮選B選項；

(3) ①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

開始時的物質的量：1 2 0

轉化的物質的量： a 2a a

平衡時的物質的量：1-a 2-2a a

容器Ⅱ中0～5 min內H2含量是20%，a=，v(CH3OH)= 0.0875mol/(L·min)；②Ⅲ中溫度高氫氣含量高，說明達到平衡升高溫度平衡逆向移動，氫氣含量增加。