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^-1     I

CO₂（g）+H₂（g） CO（g）+H₂O（g）ΔH₂     II

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.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

【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的逆反应平衡常数表达式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．增大CO₂和H₂的初始投料比    E．投料比不变，增加反应物的浓度

（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。

Answer

（1） +41.2 （2）CE （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。（每空2分）

（4）

【解析】

试题分析：（1）平衡常数是指反应达到平衡状态时生成物的浓度幂之积与反应物浓度的幂之积的比值，因此该可逆反应的逆反应的平衡常数表达式为 。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·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，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、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，D错误；E、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，E正确；答案选CE。

（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。

（4）催化剂能降低反应的活化能，但不能改变平衡状态。根据表中数据可知催化剂2的催化效果要好于催化剂1的催化效果，则图像为（见答案）。

【考点定位】本题主要是考查平衡常数，盖斯定律，平衡移动原理，催化剂的作用等判断

【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、温度和压强硬性平衡，注意催化剂的使用只能改变反应速率但不影响平衡，可以影响到达平衡的时间。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，综合能力较强，题目难度中等。