Question

【題目】[2016·浙江節選]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）ΔH1=53.7 kJ·mol1 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，在相同壓強下，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中生成甲醇的百分比

已知：①CO和H2的標準燃燒熱分別為283.0 kJ·mol1和285.8 kJ·mol1

②H2O(l)H2O（g） ΔH3=44.0 kJ·mol1

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·mol1。

（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。

Answer 1

【答案】（1） +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）

【解析】（1）根據平衡常數的公式，生成物的濃度冪之積與反應物濃度的冪之積的比值，書寫平衡常數為 。已知熱化學方程式：a：CO(g)+O2(g) CO2(g) ΔH= 283.0 kJ·mol1 b：H2(g)+O2(g) H2O(l) ΔH=285.8 kJ·mol1 c： H2O(l)H2O（g）ΔH3=44.0 kJ·mol1，根據蓋斯定律分析，ba+c即可得熱化學方程式為：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=285.8+283.0+44=+41.2 kJ·mol1。

（2）反應Ⅰ中A、使用催化劑，平衡不移動，不能提高轉化率，錯誤；B、使用催化劑，平衡不移動，不能提高轉化率，錯誤；C、降低反應溫度，平衡正向移動，提高二氧化碳的轉化率，正確；D、投料比不變，增加反應的濃度，平衡正向移動，提高二氧化碳的轉化率，正確；E、增大二氧化碳和氫氣的初始投料比，能提高氫氣的轉化率，二氧化碳的會降低，故錯誤。故選CD。

（3）從表格數據分析，在相同的溫度下，不同的催化劑，相同的反應時間內，其二氧化碳的轉化率也不同，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，說明表中數據是未到平衡數據。所以答案為：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）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的催化效果更好，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，故圖為：。