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:

I.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-53.7kJ·mol-1

I.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2

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.l	12.3	42.3
543	Cat.2	10.9	72.7
553	Cat.l	15.3	39.1
553	Cat.2	12.0	71.6

[備注]XCat.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-283.0kJ/mol和一285.8kJ/mol；

②H2O(l)==H2O(g) △H3=+44.0kJ·mol-1

請回答下列問題(不考慮溫度對△H的影響):

（1）反應(yīng)I在_________(填“低溫”或“高溫”)下自發(fā)進行；反應(yīng)II每生成9g水蒸氣放出熱量為___________。

（2）恒容條件下，有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率的措施有_____(填字母代號)。

A.延長反應(yīng)時間 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）由表中實驗數(shù)據(jù)可以得出的結(jié)論是_______________________。

（4）553K，使用催化劑Cat.2，在該時刻H2的轉(zhuǎn)化率為______(填字母代號)。

A.5.5% B.13.3% C.16.4% D.29.3%

（5）在下圖中分別畫出反應(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。________

（6）研究證實，CO2也可在硫酸溶液中用情性電解生成甲醇，則生成甲醇的電極反應(yīng)式是_________，另一極的電解產(chǎn)物為______________________。

Answer 1

【答案】 低溫 20.6kJ CD 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(或在相同溫度下不同的催化劑對反應(yīng)I的催化能力不同) C CO2+6H++6e-==CH3OH+H2O O2(H2SO4)

【解析】（1）反應(yīng)I為I.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-53.7kJ·mol-1 為放熱反應(yīng)，

在低溫下自發(fā)進行；反應(yīng)為II.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2

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-1②：H2（g）+O2（g）=H2O （l）△H=-285.8kJ·mol-1③：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·mo

每生成9g水蒸氣放出熱量為20.6 kJ。

（2）反應(yīng)Ⅰ中A、延長反應(yīng)時間，平衡不移動，不能提高轉(zhuǎn)化率，A錯誤；B、使用催化劑，平衡不移動，不能提高轉(zhuǎn)化率，B錯誤；C、降低反應(yīng)溫度，平衡正向移動，提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，C正確；D、投料比不變，增加反應(yīng)的濃度，平衡正向移動，提高二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，D正確;E、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，二氧化碳的會降低，E錯誤；；答案選CD。
（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，因為正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，說明表中數(shù)據(jù)是未到平衡數(shù)據(jù)。所以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。

（4）由.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H1= -53.7kJ·mol-1

初始量 1 2.2 0 0

變化量0,12 0.36 0.12 0.12

平衡量 0,88 1.84 0.12 0.12

553K，使用催化劑Cat.2，在該時刻H2的轉(zhuǎn)化率為=0.36/2.2=16.4

（5已知反應(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。_

（6）CO2也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇C元素化合價降低,被還原,應(yīng)為電解池的陰極反應(yīng),電極方程式為CO2+6H++6e- = CH3OH+H2O，陽極的4OH—4e-=O2+H2O

故答案為：CO2+6H++6e- = CH3OH+H2O，O2 (H2SO4)

點睛:掌握蓋斯定律是分析和計算反應(yīng)熱常用的工具。根據(jù)方程式的加減確定反應(yīng)熱的加減。同時注意反應(yīng)熱的正負號。掌握平衡移動原理，注意只有濃度、溫度和壓強硬性平衡，注意催化劑的使用只能改變反應(yīng)速率但不影響平衡，可以影響到達平衡的時間。當(dāng)增大一種反應(yīng)物的濃度時，平衡正向移動，另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率會提高，但本身轉(zhuǎn)化率會降低。本題考查了平衡常數(shù)和蓋斯定律，平衡移動的影響因素，和催化劑對反應(yīng)的影響，綜合能力較強，題目難度中等。