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）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，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的逆反應平衡常數表達式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．增大CO2和H2的初始投料比 E．投料比不變，增加反應物的濃度

（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）CE （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。（每空2分）

（4）

【解析】

試題分析：（1）平衡常數是指反應達到平衡狀態時生成物的濃度冪之積與反應物濃度的冪之積的比值，因此該可逆反應的逆反應的平衡常數表達式為 。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-1

②：H2（g）+O2（g）=H2O （l）△H=-285.8kJ·mol-1

③：H2O（l）＝H2O（g） ΔH3=44.0kJ·mol-1

根據蓋斯定律分析，②－①＋③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·mol-1。

（2）反應Ⅰ中A、使用催化劑，平衡不移動，不能提高轉化率，A錯誤；B、使用催化劑，平衡不移動，不能提高轉化率，B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，C正確；D、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，D錯誤；E、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，E正確；答案選CE。

（3）從表格數據分析，在相同的溫度下，不同的催化劑，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。

（4）催化劑能降低反應的活化能，但不能改變平衡狀態。根據表中數據可知催化劑2的催化效果要好于催化劑1的催化效果，則圖像為（見答案）。