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可發生兩個平衡反應，分別生成CH3OH和CO。反應的熱化學方程式如下：

CO2（g）+3 H2（g） CH3OH（g）+H2O（g）ΔH1=-53.7kJ·mol-1 I

CO2（g）+ H2（g） CO（g）+H2O（g）ΔH2 II

某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1:2.2，經過相同反應時間測得如下實驗數據：

【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中生成甲醛的百分比

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

②H2O（l） H2O（g） ΔH3=44.0kJ·mol-1

請回答（不考慮溫度對ΔH的影響）：

（1）反應I的平衡常數表達式K= ；反應II的ΔH2= kJ·mol-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）在右圖中分別畫出I在無催化劑、有Cat.1和由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）c(CH3OH)×c(H2O)/[c(CO2)×c3(H2)]， +41.2；（2）CD；（3）表中數據表明此時反應未達到平衡，不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響；

（4）；（5）陰，CO2+6H++6e-==CH3OH+H2O。

【解析】

試題分析：（1）根據化學平衡常數定義，K= c(CH3OH)×c(H2O)/[c(CO2)×c3(H2)]，CO的燃燒熱：CO(g)＋1/2O2(g)=CO2(g) △H=－283.0kJ·mol－1 ①，H2燃燒熱：H2(g)＋1/2O2(g)=H2O(l) △H=－285.8kJ·mol－1 ②，H2O(l)=H2O(g) △H=＋44.0kJ·mol－1 ③，②＋③－①得出：CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g) △H=(44－285.8＋283.0)kJ·mol－1=＋41.2kJ·mol－1；(2)使用催化劑，對化學平衡無影響，只提高化學反應速率，故選項AB錯誤；C、CO2→CH3OH，此反應是放熱反應，根據勒夏特列原理，降低溫度，平衡向正反應方向移動，CO2的轉化率提高，故正確；D、投料比不變，增加反應物的濃度，根據勒夏特列原理，提高反應物的濃度，平衡向正反應方向移動，CO2的轉化率提高，故正確；E、增大CO2和H2的初始投料比，是提高CO2的量，雖然平衡向正反應方向移動，但CO2的轉化率降低，故錯誤；（3）因為催化劑對化學平衡無影響，因此表中數據表明此時反應未達到平衡，不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響；（4）催化劑降低活化分子的活化能，根據表格數據，Cat.2的甲醇選擇性大于Cat.1，因此圖像是：；（5）CO2中C的化合價為＋4價，甲醇中C的化合價為－2價，化合價降低，根據電解原理，甲醇應在陰極上產生，因此電極反應式為：CO2+6H++6e－=CH3OH+H2O。