Question

【题目】CO2 可用于合成多种化工原料。用 CO2 生产绿色燃料甲醇时发生反应A： CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH1

(1)反应 A 的平衡常数表达式是_____。在恒温恒容的密闭容器中进行该反应，下列说法正确的是_____(填字母)。

A.反应达到平衡时，容器的总压强不再改变

B.加入合适的催化剂，可以提高 CO2 的转化率

C.将初始投料增加 1 倍，可以提高CO2 的转化率

D.充入一定量的He 气，可以提高CO2 的转化率

(2)在体积为 1 L 的恒容密闭容器中发生反应 A，如图是在三种投料，即[n(CO2)，n(H2)]分别为：[1mol，3mol]、[1mol，4mol]、[1mol，6mol]下，反应温度对 CO2 平衡转化率影响的曲线。

① 反应 A 的ΔH1_____0(填“>”或“<”)。

② 曲线 c 对应的投料是_____。

③ T1℃时，曲线c 对应的化学平衡常数_____1(填“大于”、“小于”或“等于”)。

(3)在一定条件下，利用 CO2 合成 CH3OH 的反应过程中会有副反应：CO2(g) + H2(g)CO(g) + H2O(g)。压强一定时，将初始投料比一定的 CO2 和H2 按一定流速通过催化剂甲，经过相同时间(反应均未达到平衡)时，温度对 CH3OH、CO 的产率影响如图 1 所示，温度对 CO2 的转化率影响如图 2 所示。

由图像可知，升高温度，CO2的实际转化率提高而甲醇的产率降低，其原因是_____。

(4)以 CO2 和 H2O 为原料合成 CH4，可以借助氮化镓(GaN)与 Cu 组成的人工光合系统， 装置如图所示。

① GaN 电极上的电极反应式是_____。

② 当有 0.4mol 电子转移时，铜电极上生成的CH4在标准状况下的体积是_____L。

Answer 1

【答案】 AC ＜ [1mol，6mol] 小于 升高温度，反应 B(副反应)的速率比反应(A)快 2H2O－4e－=O2+4H+ 1.12

【解析】

根据可逆反应化学方程式写出平衡常数表达式，由影响平衡移动的因素判断移动的方向；根据题中图示，判断反应放热还是吸热；根据化学平衡“三段式”计算平衡常数；根据题中图1和图2，分析CO2转化率升高而CH3OH产率减小原因；根据题图所给信息，判断正负极，写出电极反应，由电子守恒和电极反应计算CH4的体积(标况)。

(1)由CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)反应可知，平衡常数表达式为K= ，答案为。

A．由CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)反应可知，是一个气体体积缩小的反应，总压强是一个变量，若反应达到平衡时，各物质的量不再变化，容器的总压强也不再改变，故A正确；

B．加入合适的催化剂，可以改变达到平衡的时间，但不影响平衡移动，CO2的转化率不变，故B错误；

C．将初始投料增加 1 倍，相当于增大压强，此反应是一个气体体积缩小的反应，平衡向右移动，可以提高CO2的转化率，故C正确；

D．充入一定量的He 气，由于整个体系恒温恒容，对平衡体系无影响，故D错误；

答案为AC。

(2)①由题中图示可知，随着温度升高，CO2的平衡转化率减小，则平衡逆向移动，升高温度，向吸热方向移动，故该反应正反应放热反应，ΔH1＜0；答案为＜。

②当其他条件不变时，增大反应物氢气的浓度，平衡正向移动，CO2的平衡转化率增大，由题给图象知相同温度下，曲线c二氧化碳的平衡转化率最大，故曲线c对应的投料是n(CO2)=1mol，n(H2)=6mol；答案为n(CO2)=1mol，n(H2)=6mol。

③曲线c对应的投料是n(CO2)=1mol，n(H2)=6mol，T1℃时，二氧化碳的平衡转化率为65%，转化的二氧化碳为0.65mol，容器体积为1L，则：则平衡常数K==＜1；答案为小于。

(3)因为A：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1＜0，升高温度，平衡逆向移动，CH3OH的产率减小，符合图1，温度升高，而一氧化碳产率增大，可判断副反应B：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)平衡正向移动，△H2＞0，所以升高温度时副反应B：CO2(g) + H2(g)CO(g) + H2O(g)△H2＞0，速率比A更快，平衡正向移动，CO2转化率更大，对于A来说，平衡逆向移动，CH3OH的产率减小；答案为升高温度，反应 B(副反应)的速率比反应A快。

(4)①根据装置图，铜电极上通入了CO2，生成了CH4，C元素化合价降低，得到电子发生还原反应，作正极，CaN表面水失电子生成氧气，O元素的化合价升高，发生氧化反应，作负极，则电极反应为2H2O-4e-=O2↑+4H+；答案为2H2O-4e-=O2↑+4H+。

②Cu作正极，电极反应为CO2+8e-+8H+=CH4↑+2H2O，当有 0.4mol 电子转移时，铜电极上生成的CH4在标准状况下的体积V(CH4)==1.12L；答案为1.12。