Question

【題目】近年我國大力加強溫室氣體CO2催化氫化合成甲醇技術的工業化生產研究，實現可持續發展。

（1）已知：CO2(g)+H2(g)H2O(g) +CO(g) ΔH1= + 41.1 kJmol-1 CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH2=－90.0 kJmol-1

寫出CO2催化氫化合成甲醇的熱化學方程式：_________________________________。

（2）為提高CH3OH產率，理論上應采用的條件是_______________________（填字母）。

A．高溫高壓 B．低溫低壓 C．高溫低壓 D．低溫高壓

（3）250℃、在恒容密閉容器中由CO2(g)催化氫化合成CH3OH(g)，下圖為不同投料比[n(H2)/n(CO2)]時某反應物X 平衡轉化率變化曲線。

① 反應物X 是_____（填“CO2”或“H2”）。

② 判斷依據是_____。

（4）250℃、在體積為 2.0L 的恒容密閉容器中加入6mol H2、2mol CO2和催化劑，10min 時反應達到平衡，測得 c(CH3OH) = 0.75 mol·L－1。

① 前 10min 的平均反應速率 v(H2)＝_____mol·L－1·min－1。

② 經計算化學平衡常數 K =_____________________。

③ 催化劑和反應條件與反應物轉化率和產物的選擇性有高度相關。控制相同投料比和相同反應時間，四組實驗數據如下：

實驗編號	溫度（K）	催化劑	CO2轉化率（%）	甲醇選擇性（%）
A	543	Cu/ZnO 納米棒	12.3	42.3
B	543	Cu/ZnO 納米片	11.9	72.7
C	553	Cu/ZnO 納米棒	15.3	39.1
D	553	Cu/ZnO 納米片	12.0	70.6

（注：甲醇選擇性是指的是轉化的CO2中生成甲醇的百分含量）

根據上表所給數據，用CO2生產甲醇的最優選項為_____（填字母）。

Answer 1

【答案】CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=48.9kJ/mol D
CO2 增大n（H2）/n（CO2），相當于c（CO2）不變時，增大c（H2），平衡正向移動，使CO2的轉化率增大，而H2轉化率降低 5.33 B

【解析】

(1)根據已知熱化學方程式，利用蓋斯定律進行分析，將①+②可得CO2催化氫化合成甲醇的熱化學方程式，并據此計算焓變；

(2)有利于提高CH3OH平衡轉化率，需要使平衡向著正向移動，結合平衡移動原理分析；

(3)根據同一反應，增加其中一種反應物的濃度，能提高另一種反應物的轉化率，結合圖示，橫坐標表示n（H2）/n（CO2），進行分析解答；

(4)①根據 計算氫氣的速率；

②利用三段式計算平衡時各組分的物質的量濃度，再根據化學平衡常數為生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比，計算平衡常數；

③分別對比AB、CD實驗，Cu/ZnO納米片催化劑使反應速率增加，甲醇選擇性高，對比BD實驗，溫度升高，CO2轉化率升高，而甲醇的選擇性卻降低，據此分析。

(1)已知：①CO2(g)+H2(g)H2O(g) +CO(g) ΔH1 = + 41.1 kJmol-1；②CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH2=－90.0 kJmol-1；根據蓋斯定律可知，①+②可得：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)則△H=(+41.1kJ/mol)+(90kJ/mol)=48.9kJ/mol；故答案為：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=48.9kJ/mol；

(2)CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=48.9kJ/mol；該反應是反應前后氣體分子數減小的反應，加壓平衡正向移動，正反應為放熱反應，降溫平衡正向移動，則為提高CH3OH平衡轉化率，即平衡需正向移動，采用的條件為低溫高壓；故答案為：D；

(3)①同一反應，增加其中一種反應物的濃度，能提高另一種反應物的轉化率，橫坐標增大n（H2）/n（CO2），相當于c（CO2）不變時，增大c（H2），平衡正向移動，使二氧化碳的轉化率增大，而氫氣的轉化率降低，所以X為CO2，故答案為：CO2；

②恒容密閉容器中，其他條件相同時，增大n（H2）/n（CO2），相當于c（CO2）不變時，增大c（H2），平衡正向移動，使二氧化碳的轉化率增大，而氫氣的轉化率降低，故答案為：增大n（H2）/n（CO2），相當于c（CO2）不變時，增大c（H2），平衡正向移動，使CO2的轉化率增大，而H2轉化率降低；

(4)①根據三段式：

H2的平均反應速率，故答案為：；

②，故答案為：5.33；

③觀察四組數據，相比之下，BD的選擇性很高，且B的CO2轉化率比D稍低些，但是B的CH3OH的選擇性高出了不少，所以最優選項為B，故答案為：B。