Question

【題目】催化還原CO2是解決溫室效應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，CO2和H2可發生兩個平行反應，分別生成CH3OH和CO，反應的熱化學方程式如下：

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H1=－53.7kJmol-1 I

CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2 II

某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1︰2.2，在相同壓強下，經過相同反應時間測得如下實驗數據：

T（K）	催化劑	CO2轉化率（%）	甲醇選擇性（%）
543	Cat.1	12.3	42.3
543	Cat.2	10.9	72.7
553	Cat.1	15.3	39.1
553	Cat.2	12.0	71.6

[備注]Cat.1：Cu/ZnO納米棒；Cat.2：Cu/ZnO納米片；甲醇選擇性：轉化的CO2中生成甲醇的百分比

已知：①CO和H2的標準燃燒熱分別為-283.0kJmol-1和-285.8kJmol-1。

②H2O(l)=H2O(g) △H3=+44.0kJmol-1

請回答（不考慮溫度對△H的影響）：

（1）反應I的平衡常數表達式K=______；反應II的△H2=______kJmol-1．

（2）有利于提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有__________。

A．使用催化劑Cat.1 B．使用催化劑Cat.2

C．降低反應溫度 D．投料比不變，增加反應物的濃度

E．增大 CO2和H2的初始投料比

（3）表中實驗數據表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉化成CH3OH的選擇性有顯著的影響，其原因是___________________________。

（4）在如圖中分別畫出反應I在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應過程-能量”示意圖_________。

（5）研究證實，CO2也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，則生成甲醇的反應發生在______極，該電極反應式是_________。

Answer 1

【答案】 +41.2 CD 表中數據表明此時未達到平衡，不同的催化劑對反應I的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響 陰 CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O

【解析】（1）反應I的平衡常數表達式K=；由①CO和H2的標準燃燒熱分別為-283.0kJmol-1和-285.8kJmol-1以及②H2O(l)=H2O(g) △H3=+44.0kJmol-1，由蓋斯定律可得反應II的△H2=-285.8kJmol-1-（-283.0kJmol-1）+44.0kJmol-1=+41.2kJmol-1．

（2）因為CO2轉化為CH3OH的反應是一個氣體分子數減少的放熱反應，所以降溫或加壓可以使該反應的化學平衡向正反應方向移動。有利于提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有降低反應溫度或在投料比不變的條件下增加反應物的濃度（即增大壓強），選CD。

（3）表中實驗數據表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉化成CH3OH的選擇性有顯著的影響，其原因是： 表中數據表明此時未達到平衡，不同的催化劑對反應I的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響。

（4）加入催化劑可以降低反應的活化能。由表中數據可知，Cat.2的催化效率比Cat.1高，所以反應I在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應過程-能量”示意圖為：。

（5）電解過程中，陽極上發生氧化反應，陰極上發生還原反應。由題意知，CO2在酸性水溶液中通過電解被二氧化碳還原為甲醇，則生成甲醇的反應發生在陰極上，該電極反應式是CO2+6H++6e-=CH3OH+H2O。