Question

【題目】催化還原CO2是解決溫室效應(yīng)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，在CO2中通入H2，二者可發(fā)生以下兩個(gè)平行反應(yīng)：

反應(yīng)Ⅰ CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-53.7 kJ·mol-1　

反應(yīng)Ⅱ CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)　 　ΔH2=+41.2 kJ·mol-1

某實(shí)驗(yàn)室控制一定的CO2和H2初始投料比，在相同壓強(qiáng)下,經(jīng)過相同反應(yīng)時(shí)間測得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中“甲醇選擇性”是指轉(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分比）：

反應(yīng)序號	T/K	催化劑	CO2轉(zhuǎn)化率/%	甲醇選擇性/%
①	543	Cu/ZnO納米棒	12.3	42.3
②	543	Cu/ZnO納米片	10.9	72.7
③	553	Cu/ZnO納米棒	15.3	39.1
④	553	Cu/ZnO納米片	12.0	71.6

（1）CO2的電子式是_____________。

（2）反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)表達(dá)式是K=______。

（3）對比①和③可發(fā)現(xiàn)：同樣催化劑條件下，溫度升高，CO2轉(zhuǎn)化率升高， 而甲醇的選擇性卻降低，請解釋甲醇選擇性降低的可能原因_______________；

對比①、②可發(fā)現(xiàn)，在同樣溫度下，采用Cu/ZnO納米片使CO2轉(zhuǎn)化率降低， 而甲醇的選擇性卻提高，請解釋甲醇的選擇性提高的可能原因____________。

（4）有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有____。

a．使用Cu/ZnO納米棒做催化劑

b．使用Cu/ZnO納米片做催化劑

c．低反應(yīng)溫度

d．投料比不變,增加反應(yīng)物的濃度

e．增大CO2和H2的初始投料比

Answer 1

【答案】 反應(yīng)Ⅰ為生成甲醇的反應(yīng)，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此升高溫度，平衡逆向進(jìn)行，因此甲醇的產(chǎn)率減小，甲醇的選擇性降低 因?yàn)樵谠摃r(shí)間內(nèi)，使用Cu/ZnO納米片催化劑使反應(yīng)I速率增加，因此測得該時(shí)間內(nèi)得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高 cd

【解析】（1）二氧化碳中碳原子在中間，碳氧之間為兩個(gè)共用電子對，電子式為：。

（2）反應(yīng)Ⅰ為：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，所以平衡常數(shù)表達(dá)式為K=。

（3）生成甲醇的反應(yīng)是反應(yīng)Ⅰ，而該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，導(dǎo)致甲醇的選擇性降低。采用Cu/ZnO納米片（催化劑）只能影響速率不能改變平衡，該實(shí)驗(yàn)并不是達(dá)到平衡后再測數(shù)據(jù)，而是反應(yīng)相同時(shí)間后就測定，所以反應(yīng)比較快的進(jìn)行的量就多，因此結(jié)論是：Cu/ZnO納米片催化劑使反應(yīng)I速率增加更明顯，該時(shí)間段內(nèi)得到的甲醇較多，甲醇選擇性提高。

（4）催化劑都不改變平衡態(tài)，所以選項(xiàng)a、b都錯(cuò)誤。降溫使反應(yīng)Ⅰ平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)Ⅱ平衡逆向移動(dòng)，所以提高了CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，選項(xiàng)c正確。恒容，按照相同投料比，增大物質(zhì)的濃度就是相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，對于反應(yīng)Ⅰ平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)Ⅱ平衡不移動(dòng)，所以提高了CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，選項(xiàng)d正確。增大CO2和H2的初始投料比，實(shí)際會降低二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，選項(xiàng)e錯(cuò)誤。