Question

2018年，美国退出了《巴黎协定》实行再工业化战略，而中国却加大了环保力度，生动诠释了我国负责任的大国形象。近年我国大力加强温室气体CO₂催化氢化合成甲醇技术的工业化量产研究，实现可持续发展。

(1)已知：I.CO₂(g)+H₂(g)H₂O(g)+CO(g) △H₁=+41.1kJ/mol

II.CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)   △H₂=－90.0kJ/mol

写出CO₂催化氢化合成甲醇的热化学方程式:________。

(2)为提高CH₃OH的产率，理论上应采用的条件是________(填选项字母）。

a.高温高压    b.低温低压    c.高温低压    d.低温高压

(3)250℃时，在恒容密闭容器中由CO₂(g)催化氢化合成 CH₃OH(g)，不同投料比[n(H₂)/n(CO₂)]时某反应物X的平衡转化率变化曲线如图所示。反应物X是_______(填“CO₂”或“H₂”），判断依据是_______。

(4)250℃时，在体积为2.0 L的恒容密闭容器中加入6mol H₂、2mol CO₂和催化剂发生 CO₂催化氢化合成甲醇的反应，10 min时反应达到平衡，测得c(CH₃OH) = 0.75 mol • L^-1。

①前10 min内的平均反应速率H₂=_______ mol • L^-1 • min^-1。

②该温度下，该反应的化学平衡常数K =_______。

③催化剂和反应条件与反应物转化率和产物的选择性高度相关。控制相同投料比和相同反应时间，四组实验数据如下表所示：

实验编号	温度(K)	催化剂	CO2转化率(%)	甲醇选择性(%)
A	543	Cu/ZnO纳米棒	12.3	42.3
B	543	Cu/ZnO纳米片	11.9	72.7
C	553	Cu/ZnO纳米棒	15.3	39.1
D	553	Cu/ZnO纳米片	12.0	70.6

根据上表所给数据，用CO₂生产甲醇的最优选项为________（填字母）。

Answer

3H2(g) + CO2(g) ⇌ CH3OH(g) + H2O(g) △H=－48.9kJ/mol d CO2 恒容密闭容器中，其他条件相同时，增大n(H2)/n(CO2)，相当于c(CO2)不变时，增大c(H2)，平衡正向移动，使CO2的转化率增大，而H2的转化率降低 0.225 5.33（或16/3） B

【解析】

(1) 已知：I.CO2(g)+H2(g)H2O(g)+CO(g) △H1=+41.1kJ/mol

II.CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2=－90.0kJ/mol

根据盖斯定律，将两个热化学方程式相加可得：3H2(g) + CO2(g) ⇌ CH3OH(g) + H2O(g) △H=－48.9kJ/mol；

(2)根据热化学方程式可知，生成CH3OH的方向是放热反应方向，也是气体体积减小的方向，故要想提高CH3OH的产率，需要降温高压，故选d；

(3)观察图中的横坐标，其物理量为n(H2)/n(CO2)，假设n(CO2)为定值，则X的转化率随n(H2)的增大而增大，则X为CO2；故判断依据是恒容密闭容器中，其他条件相同时，增大n(H2)/n(CO2)，相当于c(CO2)不变时，增大c(H2)，平衡正向移动，使CO2的转化率增大，而H2的转化率降低；

(4)

①在同一容器中，CH3OH浓度变化量为0.75 mol • L-1，则有（mol • L-1）

3H2(g)

CO2(g)

CH3OH(g)

H2O(g)

起始

3

1

0

0

转化

2.25

0.75

0.75

0.75

平衡

0.75

0.25

0.75

0.75

H2的浓度变化量为2.25mol • L-1，则前10min的平均反应速率v(H2)=0.225 mol • L-1• min-1；

②K==

③选择性是指产物的专一性，在一个化学反应中若有多个产物，其中某一产物是目标产物，若这个物质的产率越高，说明反应的选择性越好。观察四组数据，相比之下，BD的选择性很高，且B的CO2转化率比D稍低些，但是B的CH3OH的选择性高出了不少，故选B。