Question

8．催化還原CO₂是解決溫室效應及能源問題的重要手段之一．研究表明，在Cu/ZnO催化劑存在下，CO₂和H₂可發生兩個平衡反應，分別生成CH₃OH和CO．反應的熱化學方程式如下：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-1   I
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂   II
某實驗室控制CO₂和H₂初始投料比為1：2.2，經過相同反應時間測得如下實驗數據：

T（K）	催化劑	CO2轉化率（%）	甲醇選擇性（%）
543	Cat.1	12.3	42.3
543	Cat.2	10.9	72.7
553	Cat.1	15.3	39.1
553	Cat.2	12.0	71.6

【備注】Cat.1：Cu/ZnO納米棒；Cat.2：Cu/ZnO納米片；甲醇選擇性：轉化的CO₂中生成甲醛的百分比
已知：①CO和H₂的標準燃燒熱分別為-283.0kJ•mol^-1和-285.8kJ•mol^-1
②H₂O（l）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1
請回答（不考慮溫度對△H的影響）：
（1）反應I的平衡常數表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；反應II的△H₂=+41.2kJ•mol^-1．
（2）有利于提高CO₂轉化為CH₃OH平衡轉化率的措施有CD．
A．使用催化劑Cat.1B．使用催化劑Cat.2C．降低反應溫度
D．投料比不變，增加反應物的濃度   E．增大CO₂和H₂的初始投料比
（3）表中實驗數據表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO₂轉化成CH₃OH的選擇性有顯著的影響，其原因是表中數據表明此時未達到平衡，不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響．
（4）在圖中分別畫出I在無催化劑、有Cat.1和由Cat.2三種情況下“反應過程-能量”示意圖．
（5）研究證實，CO₂也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，則生成甲醇的反應發生在陰極，該電極反應式是CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O．

Answer 1

分析 （1）平衡常數為生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值；已知：CO和H₂的標準燃燒熱分別為-283.0kJ•mol^-1和-285.8kJ•mol^-1，②H₂O（1）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1，可知熱化學方程式a．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1，b．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H=-285.8kJ•mol^-1，c．H₂O（1）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1，利用蓋斯定律可計算CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）的反應熱；
（2）由CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ•mol^-8 可知提高CO₂轉化為CH₃OH平衡轉化率，應使平衡向正向移動，可降低溫度，增大濃度；
（3）不同的催化劑的催化能力不同，且催化劑具有選擇性；
（4）加入催化劑，可降低反應的活化能，催化能力越強，活化能越低，但反應熱不變；
（5）CO₂也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，應為電解池的陰極反應，被還原生成甲醇．

解答 解：（1）平衡常數為生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值，該反應的平衡常數為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
已知：CO和H₂的標準燃燒熱分別為-283.0kJ•mol^-1和-285.8kJ•mol^-1，②H₂O（1）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1，可知熱化學方程式a．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ•mol^-1，b．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（1）△H=-285.8kJ•mol^-1，c．H₂O（1）═H₂O（g）△H₃=44.0kJ•mol^-1，
由蓋斯定律將b-a+c可得：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H₂ =（-285.8+283.0+44）kJ•mol^-1=+41.2kJ•mol^-1，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；+41.2；
（2）A．使用催化劑Cat.1，平衡不移動，不能提高轉化率，故A錯誤；  
B、使用催化劑Cat.2，不能提高轉化率，故B錯誤；
C、降低反應溫度，平衡正向移動，可增大轉化率，故C正確； 
D、投料比不變，增加反應物的濃度，衡正向移動，可增大轉化率，故D正確；
E、增大 CO₂和H₂的初始投料比，可增大氫氣的轉化率，二氧化碳的轉化率減小，故E錯誤．
故答案為：CD；
（3）從表中數據分析，在相同溫度下，不同的催化劑二氧化碳的轉化率不同，說明不同的催化劑的催化能力不同，相同的催化劑不同的溫度，二氧化碳的轉化率不同，且溫度高的轉化率大，因為正反應為放熱反應，說明表中數據是未達到平衡數據，
故答案為：表中數據表明此時未達到平衡，不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響；
（4）從表中數據分析，在催化劑Cat.2的作用下，甲醇的選擇性更大，說明催化劑Cat.2對反應Ⅰ催化效果更好，催化劑能降低反應的活化能，說明使用催化劑Cat.2的反應過程中活化能更低，故圖為，
故答案為：；
（5）CO₂也可在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，C元素化合價降低，被還原，應為電解池的陰極反應，電極方程式為：CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O，
故答案為：陰；CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學平衡的計算，平衡移動以及熱化學方程式、電化學等知識，為高考常見題型，題目難度中等，側重于學生的分析能力、計算能力的考查，注意把握蓋斯定律的應用，電解池的工作原理等知識．