Question

【題目】催化還原CO2是解決溫室效應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可發生兩個平行反應，分別生成CH3OH和CO，反應的熱化學方程式如下：
CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1=﹣53.7kJmol﹣1 Ⅰ
CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2 Ⅱ
某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1：2.2，在相同壓強下，經過相同反應時間測得如下實驗數據：

T（K）	催化劑	CO2轉化率（%）	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；轉化的CO2中生成甲醇的百分比
已知：①CO和H2的標準燃燒熱分別為﹣283.0kJmol﹣1和﹣285.8kJmol﹣1 ．
②H2O（1）═H2O（g）△H3=44.0kJmol﹣1
請回答（不考慮溫度對△H的影響）：
（1）反應I的平衡常數表達式K=；反應Ⅱ的△H2=kJmol﹣1 ．
（2）有利于提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有 ．
A.使用催化劑Cat.1
B.使用催化劑Cat.2
C.降低反應溫度
D.投料比不變，增加反應物的濃度
E.增大 CO2和H2的初始投料比
（3）表中實驗數據表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉化成CH3OH的選擇性有顯著的影響，其原因是 ．
（4）在如圖中分別畫出反應I在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應過程﹣能量”示意圖．
（5）研究證實，CO2也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，則生成甲醇的反應發生在極，該電極反應式是 ．

Answer 1

【答案】
（1）；+41.2
（2）C,D
（3）表中數據表明此時未達到平衡，不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同，因而再該時刻下對甲醇選擇性有影響
（4）

（5）陰；CO2+6H++6e﹣=CH3OH+H2O
【解析】（1）平衡常數為生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值. 已知：CO和H2的標準燃燒熱分別為﹣283.0kJmol﹣1和﹣285.8kJmol﹣1 ， ②H2O（1）═H2O（g）△H3=44.0kJmol﹣1 ， 可知熱化學方程式a．CO（g）+ O2（g）=CO2（g）△H=﹣283.0kJmol﹣1 ， b．H2（g）+ O2（g）=H2O（1）△H=﹣285.8kJmol﹣1 ， c．H2O（1）═H2O（g）△H3=44.0kJmol﹣1 ，
由蓋斯定律將b﹣a+c可得CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2 =（﹣285.8+283.0+44）kJmol﹣1=+41.2kJmol﹣1 ，
所以答案是： ；+41.2；
（2）A．使用催化劑Cat.1，平衡不移動，不能提高轉化率，故A錯誤；
B、使用催化劑Cat.2，不能提高轉化率，故B錯誤；
C、降低反應溫度，平衡正向移動，可增大轉化率，故C正確；
D、投料比不變，增加反應物的濃度，衡正向移動，可增大轉化率，故D正確；
E、增大 CO2和H2的初始投料比，可增大氫氣的轉化率，二氧化碳的轉化率減小，故E錯誤．
所以答案是：CD；
（3）從表中數據分析，在相同溫度下，不同的催化劑二氧化碳的轉化率不同，說明不同的催化劑的催化能力不同，相同的催化劑不同的溫度，二氧化碳的轉化率不同，且溫度高的轉化率大，因為正反應為放熱反應，說明表中數據是未達到平衡數據.
所以答案是：表中數據表明此時未達到平衡，不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同，因而再該時刻下對甲醇選擇性有影響；
（4）從表中數據分析，在催化劑Cat.2的作用下，甲醇的選擇性更大，說明催化劑Cat.2對反應Ⅰ催化效果更好，催化劑能降低反應的活化能，說明使用催化劑Cat.2的反應過程中活化能更低，所以答案是： ；
（5）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，應為電解池的陰極反應，
所以答案是：陰；CO2+6H++6e﹣=CH3OH+H2O．
【考點精析】解答此題的關鍵在于理解化學平衡狀態本質及特征的相關知識，掌握化學平衡狀態的特征：“等”即 V正=V逆>0；“動”即是動態平衡，平衡時反應仍在進行；“定”即反應混合物中各組分百分含量不變；“變”即條件改變，平衡被打破，并在新的條件下建立新的化學平衡；與途徑無關，外界條件不變，可逆反應無論是從正反應開始，還是從逆反應開始，都可建立同一平衡狀態（等效），以及對化學平衡的計算的理解，了解反應物轉化率=轉化濃度÷起始濃度×100%=轉化物質的量÷起始物質的量×100%；產品的產率=實際生成產物的物質的量÷理論上可得到產物的物質的量×100%．