Question

【題目】甲醇是一種重要的有機化工原料，C02與H2在催化劑CZZA(普通銅基催化劑)作用下合成甲醇，相關反應如下：

反應Ⅰ CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1 = -49.2kJ·mol-1

反應Ⅱ CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

已知：①CO和H2的標準燃燒熱分別為-283.0kJ·mol-1和-285.8kJ·mol-1

②H2O(g)=H2O(l) △H3 = -44.0kJ·mol-1

請回答：

（1）反應Ⅱ的△H2 =___________________kJ·mol-1。

（2）研究表明：在其他條件相同的情況下，將催化劑CZZA換成新型催化劑(CZZA/rGO)，可以顯著提高甲醇的選擇性，試用過渡態理論解釋其原因：___________________。

（3）以CZZA/rGO為催化劑，在一定條件下，將物質的量之比為1:3(總量為a mol)的C02與H2通入恒容密閉容器中進行反應，CO2的平衡轉化率和甲醇的選擇率(甲醇的選擇率：轉化的CO2中生成甲醇的物質的量分數)隨溫度的變化趨勢如下圖所示：

①在553K時，反應體系內甲醇的物質的量為___________________mol。

②隨著溫度的升高，C02的平衡轉化率增加但甲醇的選擇率降低，請分析其原因：__________________。

（4）將CO2與H2按物質的量之比為1:3通入恒溫恒容密閉容器中，控制條件，使其僅僅按反應Ⅰ進行，得到甲醇的體積分數與時間的關系如上圖2所示。保持其它條件不變，t1時再向容器中加入一定量物質的量之比為1:3的CO2與H2混合氣，t2時再次達到平衡，請在下圖中畫出t1～t3時間內甲醇體積分數隨時間的變化曲線。__________________

（5）在催化劑作用下，以NaOH溶液為電解液，將甲烷氣體通入石墨復合電極，電解產生甲醇。寫出陽極反應的電極反應式___________________。

Answer 1

【答案】 41.2 新型催化劑能將反應Ⅰ活化能降低更多，使反應物更容易生成甲醇 0.0315a 當溫度升高時反應Ⅰ平衡逆向移動，而反應Ⅱ平衡正向移動且幅度更大，所以CO2的轉化率增加，但甲醇的選擇性卻降低。 CH4 -2e- +2OH- =CH3OH+H2O

【解析】①CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H=-283.0kJmol-1、②H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-285.8kJmol-1，③H2O(g)=H2O(l) △H3 = -44.0kJ·mol-1，④反應Ⅰ CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1 = -49.2kJ·mol-1，⑤反應Ⅱ CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

（1）由蓋斯定律，②-①-③反應Ⅱ的△H2 =-285.8kJmol-1-（-283.0kJmol-1）-( -44.0kJ·mol-1)=41.2 kJ·mol-1。（2）在其他條件相同的情況下，將催化劑CZZA換成新型催化劑(CZZA/rGO)，可以顯著提高甲醇的選擇性，用過渡態理論解釋其原因：新型催化劑能將反應Ⅰ活化能降低更多，使反應物更容易生成甲醇；

（3）CO2(g) + 3H2(g)CH3OH(g) + H2O(g)

n始 0.25a 0.75a

n變 0.25a×0.21×60% 0.0315a

n平 0.0315a

①在553K時，反應體系內甲醇的物質的量為 0.25a×0.21×60%=0.0315a；②隨著溫度的升高，C02的平衡轉化率增加但甲醇的選擇率降低，其原因：當溫度升高時反應Ⅰ平衡逆向移動，而反應Ⅱ平衡正向移動且幅度更大，所以CO2的轉化率增加，但甲醇的選擇性卻降低。（4）保持其它條件不變，t1時再向容器中加入一定量物質的量之比為1:3的CO2與H2混合氣，t2時再次達到平衡，t2時相當于對原平衡進行加壓，平衡正向移動，甲醇的體積分數增大，如圖。（5）在催化劑作用下，以NaOH溶液為電解液，將甲烷氣體通入石墨復合電極，電解產生甲醇。陽極甲烷氧化生成甲醇，陽極反應的電極反應式：CH4 -2e- +2OH- =CH3OH+H2O。