Question

【题目】甲醇是一种重要的有机化工原料，C02与H2在催化剂CZZA(普通铜基催化剂)作用下合成甲醇，相关反应如下：

反应Ⅰ CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1 = -49.2kJ·mol-1

反应Ⅱ CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

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

②H2O(g)=H2O(l) △H3 = -44.0kJ·mol-1

请回答：

（1）反应Ⅱ的△H2 =___________________kJ·mol-1。

（2）研究表明：在其他条件相同的情况下，将催化剂CZZA换成新型催化剂(CZZA/rGO)，可以显著提高甲醇的选择性，试用过渡态理论解释其原因：___________________。

（3）以CZZA/rGO为催化剂，在一定条件下，将物质的量之比为1:3(总量为a mol)的C02与H2通入恒容密闭容器中进行反应，CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率：转化的CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如下图所示：

①在553K时，反应体系内甲醇的物质的量为___________________mol。

②随着温度的升高，C02的平衡转化率增加但甲醇的选择率降低，请分析其原因：__________________。

（4）将CO2与H2按物质的量之比为1:3通入恒温恒容密闭容器中，控制条件，使其仅仅按反应Ⅰ进行，得到甲醇的体积分数与时间的关系如上图2所示。保持其它条件不变，t1时再向容器中加入一定量物质的量之比为1:3的CO2与H2混合气，t2时再次达到平衡，请在下图中画出t1～t3时间内甲醇体积分数随时间的变化曲线。__________________

（5）在催化剂作用下，以NaOH溶液为电解液，将甲烷气体通入石墨复合电极，电解产生甲醇。写出阳极反应的电极反应式___________________。

Answer 1

【答案】 41.2 新型催化剂能将反应Ⅰ活化能降低更多，使反应物更容易生成甲醇 0.0315a 当温度升高时反应Ⅰ平衡逆向移动，而反应Ⅱ平衡正向移动且幅度更大，所以CO2的转化率增加，但甲醇的选择性却降低。 CH4 -2e- +2OH- =CH3OH+H2O

【解析】①CO(g)+O2(g)=CO2(g) △H=-283.0kJmol-1、②H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-285.8kJmol-1，③H2O(g)=H2O(l) △H3 = -44.0kJ·mol-1，④反应Ⅰ CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1 = -49.2kJ·mol-1，⑤反应Ⅱ CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

（1）由盖斯定律，②-①-③反应Ⅱ的△H2 =-285.8kJmol-1-（-283.0kJmol-1）-( -44.0kJ·mol-1)=41.2 kJ·mol-1。（2）在其他条件相同的情况下，将催化剂CZZA换成新型催化剂(CZZA/rGO)，可以显著提高甲醇的选择性，用过渡态理论解释其原因：新型催化剂能将反应Ⅰ活化能降低更多，使反应物更容易生成甲醇；

（3）CO2(g) + 3H2(g)CH3OH(g) + H2O(g)

n始 0.25a 0.75a

n变 0.25a×0.21×60% 0.0315a

n平 0.0315a

①在553K时，反应体系内甲醇的物质的量为 0.25a×0.21×60%=0.0315a；②随着温度的升高，C02的平衡转化率增加但甲醇的选择率降低，其原因：当温度升高时反应Ⅰ平衡逆向移动，而反应Ⅱ平衡正向移动且幅度更大，所以CO2的转化率增加，但甲醇的选择性却降低。（4）保持其它条件不变，t1时再向容器中加入一定量物质的量之比为1:3的CO2与H2混合气，t2时再次达到平衡，t2时相当于对原平衡进行加压，平衡正向移动，甲醇的体积分数增大，如图。（5）在催化剂作用下，以NaOH溶液为电解液，将甲烷气体通入石墨复合电极，电解产生甲醇。阳极甲烷氧化生成甲醇，阳极反应的电极反应式：CH4 -2e- +2OH- =CH3OH+H2O。