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：CO₂(g)+H₂(g)⇌H₂O(g) +CO(g)　ΔH₁ = + 41.1 kJ•mol^-1

CO(g)+2H₂(g)⇌CH₃OH(g)　ΔH₂=－90.0 kJ•mol^-1

写出CO₂催化氢化合成甲醇的热化学方程式：_______。

(2)为提高CH₃OH产率，理论上应采用的条件是_______(填字母)。

a.高温高压      b.低温低压     c.高温低压    d.低温高压

(3)250℃、在恒容密闭容器中由CO₂(g)催化氢化合成CH₃OH(g)，如图为不同投料比[n(H₂)/n(CO₂)]时某反应物X平衡转化率变化曲线。

反应物X是_______(填“CO₂”或“H₂”)。

(4)250℃、在体积为2.0L的恒容密闭容器中加入6mol H₂、2mol CO₂和催化剂，10min时反应达到平衡，测得c(CH₃OH) = 0.75 mol· L^－1。

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

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)。

(5)已知气相直接水合法可以制取乙醇：H₂O(g)+C₂H₄(g)⇌CH₃CH₂OH(g)。当n(H₂O)：n(C₂H₄)=1：1时，乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系如图：

①图中压强p₁、p₂、p₃、p₄的大小顺序为：_______，理由是：_______。

②气相直接水合法采用的工艺条件为：磷酸／硅藻土为催化剂，反应温度290℃，压强6.9 MPa，n(H₂O)：n(C₂H₄)=0.6：1。该条件下乙烯的转化率为5%。若要进一步提高乙烯的转化率，除了可以适当改变反应温度和压强外，还可以采取的措施有_______、_______。

Answer

3H2 (g)+CO2 (g)=CH3OH(g)+H2O(g) ΔH=－48.9 kJ/mol d CO2 B p4>p3>p2>p1 反应为气体体积减小的反应，增大压强平衡正向移动，乙烯的转化率增大，所以相同条件下，转化率越大的代表压强越大 其他条件不变，增加H2O(g)的浓度 其他条件不变，移出生成物

【解析】

(1)利用盖斯定律可知，将①+②可得：；

(2)是气体计量数减小的反应，正反应为放热反应，想要提高平衡产率，平衡需正向移动；

(3)同一反应，增加其中一种反应物的浓度，能提高另一种反应物的转化率，增大，使二氧化碳的转化率增大，而氢气的转化率降低；

(4)分别对比AB、CD实验，在同样温度下，纳米片催化剂使反应速率增加，甲醇选择性高，所以选择BD进行比较，同样催化剂条件下，温度升高，转化率升高，而甲醇的选择性却降低；

(5)①在相同温度下由于乙烯转化率为，由可知正反应为气体体积减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动，乙烯的转化率提高，因此压强关系是；

②若要进一步提高乙烯转化率，除了可以适当改变反应温度和压强外，还可以改变物质的浓度，如从平衡体系中将产物乙醇分离出来，或增大水蒸气的浓度等。

(1)利用盖斯定律可知，将①+②可得：，则，故答案为：；

(2)是气体计量数减小的反应，正反应为放热反应，想要提高平衡产率，平衡需正向移动；

a. 高压平衡向气体计量数减小的正反应方向移动，正反应为放热反应，高温平衡向吸热的逆反应方向移动，故a错误；

b. 正反应为放热反应，低温平衡向放热的正反应方向移动，低压向气体计量数增大的逆反应方向移动，故b错误；

c. 低压向气体计量数增大的逆反应方向移动，高温平衡向吸热的逆反应方向移动，故c错误；

d. 低温平衡向放热的正反应方向移动，高压平衡向气体计量数减小的正反应方向移动，故d正确；

故答案为：d；

(3)同一反应，增加其中一种反应物的浓度，能提高另一种反应物的转化率，图示，横坐标增大，相当于不变时，增大，平衡正向移动，使二氧化碳的转化率增大，而氢气的转化率降低，所以X为，故答案为；

(4)分别对比AB、CD实验，在同样温度下，纳米片催化剂使反应速率增加，甲醇选择性高，所以选择BD进行比较，同样催化剂条件下，温度升高，转化率升高，而甲醇的选择性却降低，所以用生产甲醇的最优选项为B，故答案为：B；

(5)①在相同温度下由于乙烯转化率为，由可知正反应为气体体积减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动，乙烯的转化率提高，因此压强关系是，故答案为：；反应为气体体积减小的反应，增大压强平衡正向移动，乙烯的转化率增大，所以相同条件下，转化率越大的代表压强越大；

②若要进一步提高乙烯转化率，除了可以适当改变反应温度和压强外，还可以改变物质的浓度，如从平衡体系中将产物乙醇分离出来，或增大水蒸气的浓度等，故答案为：其他条件不变，增加H2O(g)的浓度；其他条件不变，移出生成物。