Question

【題目】研究表明，在CuZnO催化劑存在下，CO2和H2可發(fā)生兩個(gè)平行反應(yīng)，分別生成CH3OH和CO，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：

CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H1 平衡常數(shù)K1 反應(yīng)Ⅰ

CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2 =+41.2kJmol-8平衡常數(shù)K2 反應(yīng)Ⅱ

某實(shí)驗(yàn)室控制CO2和H2初始投料比為1：2.2，在相同壓強(qiáng)下，經(jīng)過相同反應(yīng)時(shí)間測得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

T（K）	催化劑	CO2轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分比

（1）合成的甲醇可用于燃料電池的燃料，若電解質(zhì)為稀燒堿溶液時(shí)甲醇燃料電池的正極反應(yīng)式為________；研究證實(shí)，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(yīng)發(fā)生在______極，該電極反應(yīng)式是________________________________。

（2）從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析出，提高CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的選擇性的方法有______________。

（3）反應(yīng)CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）的平衡常數(shù)K3=____________（用K1和K2表示）。

（4）在恒壓密閉容器中，由CO2和H2進(jìn)行反應(yīng)I合成甲醇，在其它條件不變的情況下，探究溫度對化學(xué)平衡的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖。

①△H1_________0（填“＞”、“＜”或“=”）

②有利于提高CO2平衡轉(zhuǎn)化率的措施有___________（填標(biāo)號）。

A．降低反應(yīng)溫度

B．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度

C．增大CO2和H2的初始投料比

D．混合氣體中摻入一定量惰性氣體（不參與反應(yīng)）

（5）在T1溫度時(shí)，將1.00molCO2和3.00molH2充入體積為1.00L的恒容密閉容器中，容器起始壓強(qiáng)為P0，僅進(jìn)行反應(yīng)I。

①充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，若CO2轉(zhuǎn)化率為a，則容器的壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)之比為________（用a表示）。

②若經(jīng)過3h反應(yīng)達(dá)到平衡，平衡后，混合氣體物質(zhì)的量為3.00mol，則該過程中H2的平均反應(yīng)速率為____________（保留三位有效數(shù)字）；該溫度下反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K為____________（保留三位有效數(shù)字）；平衡常數(shù)K可用反應(yīng)體系中氣體物質(zhì)分壓表示，即K表達(dá)式中用平衡分壓代替平衡濃度，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。寫出上述反應(yīng)壓力平衡常數(shù)KP為____________（用P0表示，并化簡）。

Answer 1

【答案】（1）O2+4e-+2H2O=4OH- 陰 CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O

（2）使用Cat2催化劑（或理想催化劑） 溫度為543K（或降低溫度） （3）K1/K2

（4）① ＜ ② A （5）① ②0.5mol·L-1·h-1 0.148（L·mol-1）2

【解析】

試題分析：（1）電解質(zhì)為稀燒堿溶液時(shí)，甲醇燃料電池的正極發(fā)生的是氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O=4OH-；利用CO2在酸性水溶液中通過電解生成甲醇，此時(shí)發(fā)生的反應(yīng)為還原反應(yīng)，則生成甲醇的反應(yīng)發(fā)生在陰極，該電極反應(yīng)式是CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O。

（2）從表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析出，使用相同催化劑時(shí)溫度降低CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的選擇性較好，另外在相同溫度下，使用Cat.2催化劑CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的選擇性好，故提高CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的選擇性應(yīng)選擇使用Cat2催化劑（或理想催化劑或溫度為543K（或降低溫度）；

（3）根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）可以看成反應(yīng)I-反應(yīng)Ⅱ得到，則反應(yīng)CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）平衡常數(shù)K3=K1/K2；

（4）①溫度T2達(dá)到平衡時(shí)需要的時(shí)間短，可知反應(yīng)速率快，對應(yīng)的溫度T2＞T1，但此時(shí)水蒸氣的含量降低，可知升高溫度平衡逆向移動，故△H1＜0；

②A．降低反應(yīng)溫度平衡正向移動，有得提高CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，正確；B．恒壓條件下，投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度，不改變平衡的移動方向，無法提高CO2的轉(zhuǎn)化率，錯(cuò)誤；C．恒壓條件下，增大CO2和H2的初始投料比，平衡正向移動，H2的轉(zhuǎn)化率提高，但CO2的轉(zhuǎn)化率降低，錯(cuò)誤；D．混合氣體中摻入一定量惰性氣體，不改變平衡的移動方向，無法提高CO2的轉(zhuǎn)化率，錯(cuò)誤；答案為A。

（5）在T1溫度時(shí)，將1.00molCO2和3.00molH2充入體積為1.00L的恒容密閉容器中，容器起始壓強(qiáng)為P0，僅進(jìn)行反應(yīng)I。

①由化學(xué)平衡的三段模式法計(jì)算可知，

CO2 （g）+3H2（g）=CH3OH（g）+H2O（g）

起始 1 3 0 0

變化 a 3a a a

平衡 1-a 3-3a a a

根據(jù)相同條件下氣體的壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，

則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)之比為=（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=（2-a）：2，。

②若經(jīng)過3h反應(yīng)達(dá)到平衡，平衡后，混合氣體物質(zhì)的量為3.00mol，即（1-a+3-3a+a+a）=3.00mol，解得a=0.5mol，則該過程中H2的平均反應(yīng)速率為=0.500mol·L-1·h-1；該溫度下反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K為=0.148（L·mol-1）2；CO2的平衡分壓為P0，H2的平衡分壓為P0，CH3OH的平衡分壓為P0，H2O的平衡分壓為P0，上述反應(yīng)壓力平衡常數(shù)KP為=。