Question

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生产研究，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)，下图为不同投料比[n(H₂)/n(CO₂)]时某反应物X 平衡转化率变化曲线。

① 反应物X 是_____（填“CO₂”或“H₂”）。

② 判断依据是_____。

（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。

① 前 10min 的平均反应速率 v(H₂)＝_____mol·L^－1·min^－1。

② 经计算化学平衡常数 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

（注：甲醇选择性是指的是转化的CO₂中生成甲醇的百分含量）

根据上表所给数据，用CO₂生产甲醇的最优选项为_____（填字母）。

Answer

CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)△H=−48.9kJ/mol D
CO2 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转化率降低 5.33 B

【解析】

(1)根据已知热化学方程式，利用盖斯定律进行分析，将①+②可得CO2催化氢化合成甲醇的热化学方程式，并据此计算焓变；

(2)有利于提高CH3OH平衡转化率，需要使平衡向着正向移动，结合平衡移动原理分析；

(3)根据同一反应，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，结合图示，横坐标表示n（H2）/n（CO2），进行分析解答；

(4)①根据 计算氢气的速率；

②利用三段式计算平衡时各组分的物质的量浓度，再根据化学平衡常数为生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比，计算平衡常数；

③分别对比AB、CD实验，Cu/ZnO纳米片催化剂使反应速率增加，甲醇选择性高，对比BD实验，温度升高，CO2转化率升高，而甲醇的选择性却降低，据此分析。

(1)已知：①CO2(g)+H2(g)H2O(g) +CO(g) ΔH1 = + 41.1 kJ•mol-1；②CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH2=－90.0 kJ•mol-1；根据盖斯定律可知，①+②可得：CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)则△H=(+41.1kJ/mol)+(−90kJ/mol)=−48.9kJ/mol；故答案为：CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)△H=−48.9kJ/mol；

(2)CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)△H=−48.9kJ/mol；该反应是反应前后气体分子数减小的反应，加压平衡正向移动，正反应为放热反应，降温平衡正向移动，则为提高CH3OH平衡转化率，即平衡需正向移动，采用的条件为低温高压；故答案为：D；

(3)①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，横坐标增大n（H2）/n（CO2），相当于c（CO2）不变时，增大c（H2），平衡正向移动，使二氧化碳的转化率增大，而氢气的转化率降低，所以X为CO2，故答案为：CO2；

②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，使二氧化碳的转化率增大，而氢气的转化率降低，故答案为：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转化率降低；

(4)①根据三段式：

H2的平均反应速率，故答案为：；

②，故答案为：5.33；

③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，所以最优选项为B，故答案为：B。