Question

【題目】2018年，美國退出了《巴黎協定》實行再工業化戰略，而中國卻加大了環保力度，生動詮釋了我國負責任的大國形象。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：I.CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) △H1=+41.1kJ/mol

II.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2=－90.0kJ/mol

寫出CO2催化氫化合成甲醇的熱化學方程式:________。

(2)為提高CH3OH的產率，理論上應采用的條件是________(填選項字母）。

a.高溫高壓 b.低溫低壓 c.高溫低壓 d.低溫高壓

(3)250℃時，在恒容密閉容器中由CO2(g)催化氫化合成 CH3OH(g)，不同投料比[n(H2)/n(CO2)]時某反應物X的平衡轉化率變化曲線如圖所示。反應物X是_______(填“CO2”或“H2”），判斷依據是_______。

(4)250℃時，在體積為2.0 L的恒容密閉容器中加入6mol H2、2mol CO2和催化劑發生 CO2催化氫化合成甲醇的反應，10 min時反應達到平衡，測得c(CH3OH) = 0.75 mol L-1。

①前10 min內的平均反應速率H2=_______ mol L-1 min-1。

②該溫度下，該反應的化學平衡常數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，四組實驗數據如下表所示：

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) △H=－48.9kJ/mol d CO2 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CO2的轉化率增大，而H2的轉化率降低 0.225 5.33（或16/3） B

【解析】

(1) 已知：I.CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) △H1=+41.1kJ/mol

II.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2=－90.0kJ/mol

根據蓋斯定律，將兩個熱化學方程式相加可得：3H2(g) + CO2(g) CH3OH(g) + H2O(g) △H=－48.9kJ/mol；

(2)根據熱化學方程式可知，生成CH3OH的方向是放熱反應方向，也是氣體體積減小的方向，故要想提高CH3OH的產率，需要降溫高壓，故選d；

(3)觀察圖中的橫坐標，其物理量為n(H2)/n(CO2)，假設n(CO2)為定值，則X的轉化率隨n(H2)的增大而增大，則X為CO2；故判斷依據是恒容密閉容器中，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CO2的轉化率增大，而H2的轉化率降低；

(4)

①在同一容器中，CH3OH濃度變化量為0.75 mol L-1，則有（mol L-1）

	3H2(g)	CO2(g)	CH3OH(g)	H2O(g)
起始	3	1	0	0
轉化	2.25	0.75	0.75	0.75
平衡	0.75	0.25	0.75	0.75

H2的濃度變化量為2.25mol L-1，則前10min的平均反應速率v(H2)=0.225 mol L-1 min-1；

②K==

③選擇性是指產物的專一性，在一個化學反應中若有多個產物，其中某一產物是目標產物，若這個物質的產率越高，說明反應的選擇性越好。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，故選B。