Question

【題目】近年我國(guó)大力加強(qiáng)溫室氣體CO2催化氫化合成甲醇技術(shù)的工業(yè)化生產(chǎn)研究，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)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(xiě)出CO2催化氫化合成甲醇的熱化學(xué)方程式：_________________________________。

（2）為提高CH3OH產(chǎn)率，理論上應(yīng)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(shí)某反應(yīng)物X 平衡轉(zhuǎn)化率變化曲線。

① 反應(yīng)物X 是_____（填“CO2”或“H2”）。

② 判斷依據(jù)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(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，測(cè)得 c(CH3OH) = 0.75 mol·L－1。

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

② 經(jīng)計(jì)算化學(xué)平衡常數(shù) K =_____________________。

③ 催化劑和反應(yīng)條件與反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的選擇性有高度相關(guān)。控制相同投料比和相同反應(yīng)時(shí)間，四組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	溫度（K）	催化劑	CO2轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分含量）

根據(jù)上表所給數(shù)據(jù)，用CO2生產(chǎn)甲醇的最優(yōu)選項(xiàng)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(dāng)于c（CO2）不變時(shí)，增大c（H2），平衡正向移動(dòng)，使CO2的轉(zhuǎn)化率增大，而H2轉(zhuǎn)化率降低 5.33 B

【解析】

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

(2)有利于提高CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，需要使平衡向著正向移動(dòng)，結(jié)合平衡移動(dòng)原理分析；

(3)根據(jù)同一反應(yīng)，增加其中一種反應(yīng)物的濃度，能提高另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，結(jié)合圖示，橫坐標(biāo)表示n（H2）/n（CO2），進(jìn)行分析解答；

(4)①根據(jù) 計(jì)算氫氣的速率；

②利用三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量濃度，再根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)為生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比，計(jì)算平衡常數(shù)；

③分別對(duì)比AB、CD實(shí)驗(yàn)，Cu/ZnO納米片催化劑使反應(yīng)速率增加，甲醇選擇性高，對(duì)比BD實(shí)驗(yàn)，溫度升高，CO2轉(zhuǎn)化率升高，而甲醇的選擇性卻降低，據(jù)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(jù)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(yīng)是反應(yīng)前后氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，加壓平衡正向移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降溫平衡正向移動(dòng)，則為提高CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，即平衡需正向移動(dòng)，采用的條件為低溫高壓；故答案為：D；

(3)①同一反應(yīng)，增加其中一種反應(yīng)物的濃度，能提高另一種反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，橫坐標(biāo)增大n（H2）/n（CO2），相當(dāng)于c（CO2）不變時(shí)，增大c（H2），平衡正向移動(dòng)，使二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增大，而氫氣的轉(zhuǎn)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(shí)，增大n（H2）/n（CO2），相當(dāng)于c（CO2）不變時(shí)，增大c（H2），平衡正向移動(dòng)，使二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增大，而氫氣的轉(zhuǎn)化率降低，故答案為：增大n（H2）/n（CO2），相當(dāng)于c（CO2）不變時(shí)，增大c（H2），平衡正向移動(dòng)，使CO2的轉(zhuǎn)化率增大，而H2轉(zhuǎn)化率降低；

(4)①根據(jù)三段式：

H2的平均反應(yīng)速率，故答案為：；

②，故答案為：5.33；

③觀察四組數(shù)據(jù)，相比之下，BD的選擇性很高，且B的CO2轉(zhuǎn)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(yōu)選項(xiàng)為B，故答案為：B。