Question

【题目】研究表明，在CuZnO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）△H1 平衡常数K1 反应Ⅰ

CO2（g）+H2（g）CO（g）+H2O（g）△H2 =+41.2kJmol-8平衡常数K2 反应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

（1）合成的甲醇可用于燃料电池的燃料，若电解质为稀烧碱溶液时甲醇燃料电池的正极反应式为________；研究证实，CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，则生成甲醇的反应发生在______极，该电极反应式是________________________________。

（2）从表中实验数据可以分析出，提高CO2转化成CH3OH的选择性的方法有______________。

（3）反应CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）的平衡常数K3=____________（用K1和K2表示）。

（4）在恒压密闭容器中，由CO2和H2进行反应I合成甲醇，在其它条件不变的情况下，探究温度对化学平衡的影响，实验结果如图。

①△H1_________0（填“＞”、“＜”或“=”）

②有利于提高CO2平衡转化率的措施有___________（填标号）。

A．降低反应温度

B．投料比不变，增加反应物的浓度

C．增大CO2和H2的初始投料比

D．混合气体中掺入一定量惰性气体（不参与反应）

（5）在T1温度时，将1.00molCO2和3.00molH2充入体积为1.00L的恒容密闭容器中，容器起始压强为P0，仅进行反应I。

①充分反应达到平衡后，若CO2转化率为a，则容器的压强与起始压强之比为________（用a表示）。

②若经过3h反应达到平衡，平衡后，混合气体物质的量为3.00mol，则该过程中H2的平均反应速率为____________（保留三位有效数字）；该温度下反应的化学平衡常数K为____________（保留三位有效数字）；平衡常数K可用反应体系中气体物质分压表示，即K表达式中用平衡分压代替平衡浓度，分压=总压×物质的量分数。写出上述反应压力平衡常数KP为____________（用P0表示，并化简）。

Answer 1

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

（2）使用Cat2催化剂（或理想催化剂） 温度为543K（或降低温度） （3）K1/K2

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

【解析】

试题分析：（1）电解质为稀烧碱溶液时，甲醇燃料电池的正极发生的是氧化反应，电极反应式为O2+4e-+2H2O=4OH-；利用CO2在酸性水溶液中通过电解生成甲醇，此时发生的反应为还原反应，则生成甲醇的反应发生在阴极，该电极反应式是CO2+6e-+6H+=CH3OH+H2O。

（2）从表中实验数据可以分析出，使用相同催化剂时温度降低CO2转化成CH3OH的选择性较好，另外在相同温度下，使用Cat.2催化剂CO2转化成CH3OH的选择性好，故提高CO2转化成CH3OH的选择性应选择使用Cat2催化剂（或理想催化剂或温度为543K（或降低温度）；

（3）根据盖斯定律，反应CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）可以看成反应I-反应Ⅱ得到，则反应CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）平衡常数K3=K1/K2；

（4）①温度T2达到平衡时需要的时间短，可知反应速率快，对应的温度T2＞T1，但此时水蒸气的含量降低，可知升高温度平衡逆向移动，故△H1＜0；

②A．降低反应温度平衡正向移动，有得提高CO2的平衡转化率，正确；B．恒压条件下，投料比不变，增加反应物的浓度，不改变平衡的移动方向，无法提高CO2的转化率，错误；C．恒压条件下，增大CO2和H2的初始投料比，平衡正向移动，H2的转化率提高，但CO2的转化率降低，错误；D．混合气体中掺入一定量惰性气体，不改变平衡的移动方向，无法提高CO2的转化率，错误；答案为A。

（5）在T1温度时，将1.00molCO2和3.00molH2充入体积为1.00L的恒容密闭容器中，容器起始压强为P0，仅进行反应I。

①由化学平衡的三段模式法计算可知，

CO2 （g）+3H2（g）=CH3OH（g）+H2O（g）

起始 1 3 0 0

变化 a 3a a a

平衡 1-a 3-3a a a

根据相同条件下气体的压强之比等于物质的量之比，

则容器内的压强与起始压强之比为=（1-a+3-3a+a+a）：（1+3）=（2-a）：2，。

②若经过3h反应达到平衡，平衡后，混合气体物质的量为3.00mol，即（1-a+3-3a+a+a）=3.00mol，解得a=0.5mol，则该过程中H2的平均反应速率为=0.500mol·L-1·h-1；该温度下反应的化学平衡常数K为=0.148（L·mol-1）2；CO2的平衡分压为P0，H2的平衡分压为P0，CH3OH的平衡分压为P0，H2O的平衡分压为P0，上述反应压力平衡常数KP为=。