Question

【题目】CO2是主要的温室气体，也是一种工业原料。回收利用CO2有利于缓解温室效应带来的环境问题。

(1)我国科学家通过采用一种新型复合催化剂，成功实现了CO2直接加氢制取高辛烷值汽油。

已知：2H2 (g)+O2 (g) =2H2O(l) ΔH = -571.6 kJ/mol

2C8H18(l)+25O2(g) =16CO2(g)+18H2O(l) ΔH = -11036 kJ/mol

25℃、101kPa条件下，CO2与H2反应生成辛烷(以C8H18表示)和液态水的热化学方程式是_________。

(2)CO2催化加氢合成乙醇的反应原理是：2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) △H =-173.6 kJ/mol图是起始投料不同时，CO2的平衡转化率随温度的变化关系，m为起始时的投料比，即m=。m1、m2、m3投料比从大到小的顺序为_________，理由是_________。

(3)在Cu/ZnO催化剂存在下，将CO2与H2混合可合成甲醇，同时发生以下两个平行反应：

反应Ⅰ CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-53.7 kJ/mol　

反应Ⅱ CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　 　ΔH2=+41.2 kJ/mol

控制一定的CO2和H2初始投料比，在相同压强下,经过相同反应时间测得如下实验数据(其中“甲醇选择性”是指转化的CO2中生成甲醇的百分比)：

实验序号	T/K	催化剂	CO2转化率/%	甲醇选择性/%
实验1	543	Cu/ZnO纳米棒	12.3	42.3
实验2	543	Cu/ZnO纳米片	10.9	72.7
实验3	553	Cu/ZnO纳米棒	15.3	39.1
实验4	553	Cu/ZnO纳米片	12.0	71.6

①对比实验1和实验3可发现：同样催化剂条件下，温度升高，CO2转化率升高， 而甲醇的选择性却降低，请解释甲醇选择性降低的可能原因_______________；

②对比实验1和实验 2可发现：在同样温度下，采用Cu/ZnO纳米片使CO2转化率降低， 而甲醇的选择性却提高，请解释甲醇的选择性提高的可能原因____________。

③有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有_______。

a．使用Cu/ZnO纳米棒做催化剂

b．使用Cu/ZnO纳米片做催化剂

c．降低反应温度

d．投料比不变，增加反应物的浓度

e．增大的初始投料比

(4)以纳米二氧化钛膜为工作电极，稀硫酸为电解质溶液，在一定条件下通入CO2，电解，在阴极可制得低密度聚乙烯(简称LDPE)。

①电解时，阴极的电极反应式是_____________。

②工业上生产1.4×104 kg 的LDPE，理论上需要标准状况下______L 的CO2。

Answer 1

【答案】8CO2(g)+25H2(g) =C8H18(l)+16H2O(l) ΔH= -1627kJ/mol m1 >m2>m3 温度相同时，c(H2)增大， CO2平衡转化率增大，平衡向正反应方向移动。 反应Ⅰ是放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向进行，因此甲醇的产率减小，甲醇的选择性降低。 Cu/ZnO纳米片对反应I的催化作用更好，测定时间内得到的甲醇较多，甲醇选择性提高。 cd 2nCO2 +12nH+ +12ne-=+4n H2O 2.24×107

【解析】

(1)利用盖斯定律，将两个热化学方程式中O2消去，整理，就可得到相应的热化学方程式；

(2) 一定温度下二氧化碳转化率随m(为起始时的投料比)增大而增大，使一种反应物浓度增大一种会提高另一种物质的平衡转化率；

(3)①反应Ⅰ是放热反应，根据温度对化学平衡的影响分析；

②使用Cu/ZnO纳米片催化剂使反应I速率增加，该时间内得到的甲醇较多，甲醇选择性提高；

③有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率，需要使平衡向正反应方向移动，结合平衡移动原理分析。

(4)电解过程中阴极上CO2发生还原反应生成：结合碳的化合价的变化，分析得到的电子数目，根据电荷守恒可得该电极反应式，并结合电极反应式及物质的量公式计算。

(1) ①2H2 (g)+O2 (g) =2H2O(l) ΔH = -571.6 kJ/mol ；②2C8H18(l)+25O2(g) =16CO2(g)+18H2O(l) ΔH = -11036 kJ/mol，(①×25-②)÷2，整理可得：8CO2(g)+25H2(g) =C8H18(l)+16H2O(l) ΔH= -1627kJ/mol；

(2) CO2催化加氢合成乙醇的反应原理是：2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) △H =-173.6 kJ/mol，根据方程式可知：CO2、H2都是反应物，根据平衡移动原理可知，在温度不变时，c(H2)增大，平衡正向移动，CO2转化率增大，即一定温度下二氧化碳转化率随m(为起始时的投料比)增大而增大，根据图示可知转化率：m1＞m2＞m3，所以m1、m2、m3投料比从大到小的顺序为：m1＞m2＞m3；

(3) ①同样催化剂条件下，温度升高，CO2转化率升高，而甲醇的选择性却降低的原因是反应Ⅰ为生成甲醇的反应，该反应是放热反应，升高温度，平衡逆向进行，因此甲醇的产率减小，甲醇的选择性降低；

②在同样温度下，采用Cu/ZnO纳米片使CO2转化率降低，而甲醇的选择性却提高的可能原因是在该时间内，使用Cu/ZnO纳米片催化剂使反应I速率增加，因此测得该时间内得到的甲醇较多，甲醇选择性提高；

③a．使用Cu/ZnO纳米棒做催化剂，对化学平衡无影响，无法提高CO2转化为CH3OH平衡转化率，a错误；

b．使用Cu/ZnO纳米片做催化剂，催化剂不影响化学平衡移动，无法提高CO2转化为CH3OH平衡转化率，b错误；

c．该反应为放热反应，降低反应温度，平衡向正反应方向移动，可提高CO2转化为CH3OH平衡转化率，c正确；

d．投料比不变，增加反应物氢气的浓度，可提高CO2转化为CH3OH平衡转化率，d正确；

e．增大CO2和H2的初始投料比，二氧化碳浓度增大，则CO2转化率降低，e错误；

故合理选项为cd。

(4)电解过程中阴极上CO2发生还原反应生成：由C原子守恒可知关系式为2nCO2→，碳的化合价从+4变为-2，每个C原子得到6个电子，则2nCO2总共得到12n个电子，结合电荷守恒可得该电极反应式为：2nCO2+12e-+12nH+=+4nH2O，需要二氧化碳的物质的量为n(CO2)==1×106mol，则在标准状况下CO2的体积为V(CO2)=1×106mol×22.4L/mol=2.24×107L。