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量產研究，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。

反應物X是_______（填“CO2”或“H2”）。

(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化學平衡常數K = _______。

②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

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】3H2 (g)+CO2 (g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=－48.9 kJ/mol d CO2 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；
②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；

利用蓋斯定律可知，將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體積減小的反應，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）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，而本身轉化率降低，圖示隨著橫坐標增大[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；

（4）①根據已知信息，可列出三段式：

化學平衡常數；

故答案為：5.33；

②分別對比AB、CD實驗，在同樣溫度下，Cu/ZnO納米片催化劑使反應速率增加，甲醇選擇性高，所以選擇BD進行比較，同樣催化劑條件下，溫度升高，CO2轉化率升高，而甲醇的選擇性卻降低，所以用CO2生產甲醇的最優選項為B；

故答案為：B。