题目内容
【题目】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:
I.CO2(g)+3H2(g) 
CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-53.7kJ·mol-1
I.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2
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.l | 12.3 | 42.3 |
543 | Cat.2 | 10.9 | 72.7 |
553 | Cat.l | 15.3 | 39.1 |
553 | Cat.2 | 12.0 | 71.6 |
[备注]XCat.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的标准燃烧热分别为-283.0kJ/mol和一285.8kJ/mol；
②H2O(l)==H2O(g) △H3=+44.0kJ·mol-1
请回答下列问题(不考虑温度对△H的影响):
（1）反应I在_________(填“低温”或“高温”)下自发进行；反应II每生成9g水蒸气放出热量为___________。
（2）恒容条件下，有利于提高CO2转化为CH3OH的平衡转化率的措施有_____(填字母代号)。
A.延长反应时间 B.使用催化剂Cat.2 C.降低反应温度
D.投料比不变，增加反应物的浓度 E.增大CO2和H2的初始投料比
（3）由表中实验数据可以得出的结论是_______________________。
（4）553K，使用催化剂Cat.2，在该时刻H2的转化率为______(填字母代号)。
A.5.5% B.13.3% C.16.4% D.29.3%
（5）在下图中分别画出反应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。________
（6）研究证实，CO2也可在硫酸溶液中用情性电解生成甲醇，则生成甲醇的电极反应式是_________，另一极的电解产物为______________________。
【答案】 低温 20.6kJ CD 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(或在相同温度下不同的催化剂对反应I的催化能力不同) C 
CO2+6H++6e-==CH3OH+H2O O2(H2SO4)
【解析】（1）反应I为I.CO2(g)+3H2(g) 
CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-53.7kJ·mol-1 为放热反应，
在低温下自发进行；反应为II.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2
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-1②：H2（g）+O2（g）=H2O （l）△H=-285.8kJ·mol-1③：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·mo
每生成9g水蒸气放出热量为20.6 kJ。
（2）反应Ⅰ中A、延长反应时间，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、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，D正确;E、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，E错误；；答案选CD。
（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。所以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。
（4）由.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H1= -53.7kJ·mol-1
初始量 1 2.2 0 0
变化量0,12 0.36 0.12 0.12
平衡量 0,88 1.84 0.12 0.12
553K，使用催化剂Cat.2，在该时刻H2的转化率为=0.36/2.2
=16.4
（5已知反应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。_
（6）CO2也可在酸性水溶液中通过电解生成甲醇C元素化合价降低,被还原,应为电解池的阴极反应,电极方程式为CO2+6H++6e- = CH3OH+H2O，阳极的4OH—4e-=O2
+H2O
故答案为：CO2+6H++6e- = CH3OH+H2O，O2 (H2SO4)
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。
