Question

【题目】催化还原CO2是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化剂存在下，CO2和H2可发生两个平衡反应，分别生成CH3OH和CO。反应的热化学方程式如下：

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

CO2（g）+ H2（g） CO（g）+H2O（g）ΔH2 II

某实验室控制CO2和H2初始投料比为1:2.2，经过相同反应时间测得如下实验数据：

【备注】Cat.1:Cu/ZnO纳米棒；Cat.2:Cu/ZnO纳米片；甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醛的百分比

已知：①CO和H2的标准燃烧热分别为-283.0kJ·mol-1和-285.8kJ·mol-1

②H2O（l） H2O（g） ΔH3=44.0kJ·mol-1

请回答（不考虑温度对ΔH的影响）：

（1）反应I的平衡常数表达式K= ；反应II的ΔH2= kJ·mol-1。

（2）有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有 。

A．使用催化剂Cat.1

B．使用催化剂Cat.2

C．降低反应温度

D．投料比不变，增加反应物的浓度

E．增大CO2和H2的初始投料比

（3）表中实验数据表明，在相同温度下不同的催化剂对CO2转化成CH3OH的选择性有显著的影响，其原因是 。

（4）在右图中分别画出I在无催化剂、有Cat.1和由Cat.2三种情况下“反应过程-能量”示意图。

（5）研究证实，CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，则生成甲醇的反应发生在___ 极，该电极反应式是 。

Answer 1

【答案】（1）c(CH3OH)×c(H2O)/[c(CO2)×c3(H2)]， +41.2；（2）CD；（3）表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响；

（4）；（5）阴，CO2+6H++6e-==CH3OH+H2O。

【解析】

试题分析：（1）根据化学平衡常数定义，K= c(CH3OH)×c(H2O)/[c(CO2)×c3(H2)]，CO的燃烧热：CO(g)＋1/2O2(g)=CO2(g) △H=－283.0kJ·mol－1 ①，H2燃烧热：H2(g)＋1/2O2(g)=H2O(l) △H=－285.8kJ·mol－1 ②，H2O(l)=H2O(g) △H=＋44.0kJ·mol－1 ③，②＋③－①得出：CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g) △H=(44－285.8＋283.0)kJ·mol－1=＋41.2kJ·mol－1；(2)使用催化剂，对化学平衡无影响，只提高化学反应速率，故选项AB错误；C、CO2→CH3OH，此反应是放热反应，根据勒夏特列原理，降低温度，平衡向正反应方向移动，CO2的转化率提高，故正确；D、投料比不变，增加反应物的浓度，根据勒夏特列原理，提高反应物的浓度，平衡向正反应方向移动，CO2的转化率提高，故正确；E、增大CO2和H2的初始投料比，是提高CO2的量，虽然平衡向正反应方向移动，但CO2的转化率降低，故错误；（3）因为催化剂对化学平衡无影响，因此表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响；（4）催化剂降低活化分子的活化能，根据表格数据，Cat.2的甲醇选择性大于Cat.1，因此图像是：；（5）CO2中C的化合价为＋4价，甲醇中C的化合价为－2价，化合价降低，根据电解原理，甲醇应在阴极上产生，因此电极反应式为：CO2+6H++6e－=CH3OH+H2O。