Question

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可发生两个平行反应，分别生成CH₃OH和CO。反应的热化学方程式如下：

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

CO₂（g）+H₂（g） CO（g）+H₂O（g）ΔH₂II

某实验室控制CO₂和H₂初始投料比为1:2.2，在相同压强下，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中生成甲醇的百分比

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）在图中分别画出反应I在无催化剂、有Cat.1和有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） +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）根据平衡常数的公式，生成物的浓度幂之积与反应物浓度的幂之积的比值，书写平衡常数为。已知热化学方程式：a:CO（g）+O2（g）=CO2（g）△H= -283.0kJ·mol-1 b：H2（g）+O2（g）=H2O （l）△H=-285.8kJ·mol-1 c: H2O（l） H2O（g） ΔH3=44.0kJ·mol-1根据盖斯定律分析，b-a+c即可得热化学方程式为：CO2（g）+ H2（g） CO（g）+H2O（g）ΔH2=-285.8+283.0+44=+41.2 kJ·mol-1。（2）反应Ⅰ中A、使用催化剂，平衡不移动，不能提高转化率，错误；B、使用催化剂，平衡不移动，不能提高转化率，错误；C、降低反应温度，平衡正向移动，提高二氧化碳的转化率，正确；D、投料比不变，增加反应的浓度，平衡正向移动，提高二氧化碳的转化率，正确；E、增大二氧化碳和氢气的初始投料比，能提高氢气的转化率，二氧化碳的会降低，故错误。故选CD。（3）从表格数据分析，在相同的温度下，不同的催化剂，相同的反应时间内，其二氧化碳的转化率也不同，说明不同的催化剂的催化能力不同；相同催化剂不同的温度，二氧化碳的转化率不同，且温度高的转化率大，因为正反应为放热反应，说明表中数据是未到平衡数据。所以答案为：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）从表中数据分析，在催化剂Cat.2的作用下，甲醇的选择性更大，说明催化剂Cat.2对反应Ⅰ的催化效果更好，催化剂能降低反应的活化能，说明使用催化剂Cat.2的反应过程中活化能更低，故图为：

（5）二氧化碳变甲醇，碳元素的化合价降低，得到电子，说明其在阴极反应，其电极反应为： CO2+6H++6e-==CH3OH+H2O

【考点定位】平衡常数，盖斯定律，平衡移动原理，催化剂的作用，电解池的工作原理和电极反应的书写。

【名师点睛】掌握盖斯定律是分析和计算反应热常用的工具。根据化学方程式的加减确定反应热的加减，同时注意反应热的正负号。掌握平衡移动原理，注意只有浓度、温度和压强影响平衡，注意催化剂的使用只能改变反应速率，影响到达平衡的时间，但不影响平衡进行的程度。当增大一种反应物的浓度时，平衡正向移动，另一种反应物的转化率会提高，但本身转化率会降低。本题考查了平衡常数和盖斯定律，平衡移动的影响因素，和催化剂对反应的影响等知识，综合性较强。