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:

I.CO₂(g)+3H₂(g) CH₃OH(g)+H₂O(g)    △H₁=-53.7kJ·mol^-1

I.CO₂(g)+H₂(g) CO(g)+H₂O(g)   △H₂

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:

T(K)	催化剂	CO2转化率(％)	甲醇选择性(％)
543	Cat.l	12.3	42.3
543	Cat.2	10.9	72.7
553	Cat.l	15.3	39.1
553	Cat.2	12.0	71.6

[备注]XCat.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和一285.8kJ/mol；

②H₂O(l)==H₂O(g)     △H₃=+44.0kJ·mol^-1

请回答下列问题(不考虑温度对△H的影响):

（1）反应I在_________(填“低温”或“高温”)下自发进行；反应II每生成9g水蒸气放出热量为___________。

（2）恒容条件下，有利于提高CO₂ 转化为CH₃OH 的平衡转化率的措施有_____(填字母代号)。

A.延长反应时间    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）由表中实验数据可以得出的结论是_______________________。

（4）553 K，使用催化剂Cat.2，在该时刻H₂ 的转化率为______(填字母代号)。

A.5.5%     B.13.3%     C.16.4%     D.29.3%

（5）在下图中分别画出反应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。________

（6）研究证实，CO₂ 也可在硫酸溶液中用情性电解生成甲醇，则生成甲醇的电极反应式是_________，另一极的电解产物为______________________。

Answer

低温 20.6kJ CD 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(或在相同温度下不同的催化剂对反应I的催化能力不同) C CO2+6H++6e-==CH3OH+H2O O2(H2SO4)

【解析】（1）反应I为I.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)  △H1=-53.7kJ·mol-1 为放热反应，

在低温下自发进行；反应为II.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2

已知CO和H2的燃烧热分别为-283.0kJ·mol-1和-285.8kJ·mol-1，则①：CO（g）+O2（g）=CO2（g） △H= -283.0kJ·mol-1 ②：H2（g）+O2（g）=H2O （l）△H=-285.8kJ·mol-1  ③：H2O（l）＝H2O（g） ΔH3=+44.0kJ·mol-1
根据盖斯定律分析，②－①＋③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·mo

每生成9g水蒸气放出热量为20.6 kJ。

（2）反应Ⅰ中A、延长反应时间，平衡不移动，不能提高转化率，A错误；B、使用催化剂，平衡不移动，不能提高转化率，B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，C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，D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，E错误；；答案选CD。
（3）从表格数据分析，在相同的温度下，不同的催化剂，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。

（4）由.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)  △H1= -53.7kJ·mol-1

初始量 1 2.2 0 0

变化量0,12 0.36 0.12 0.12

平衡量 0,88 1.84 0.12 0.12

553 K，使用催化剂Cat.2，在该时刻H2 的转化率为=0.36/2.2=16.4

（5已知反应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。_

（6）CO2 也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇C元素化合价降低,被还原,应为电解池的阴极反应,电极方程式为 CO2 +6H++6e- = CH3OH+H2O，阳极的4OH—4e-=O2+H2O

故答案为：CO2 +6H++6e- = CH3OH+H2O ，O2 (H2SO4)