题目内容

2．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 K1
Ⅱ． CO2（g）+H2（g）?CO（g）+H2O（g）△H2     K2
（1）反应Ⅰ的平衡常数表达式K1=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$．若其它条件不变，升高温度，则该反应的逆反应速率增大（填“增大”、“减小”、“不变”或“无法判断”）．
（2）反应Ⅱ还可以通过下列反应获得：
Fe（s）+CO2（g）?FeO（s）+CO（g）△H3       K3
Fe（s）+H2O（g）?FeO（s）+H2（g）△H4       K4
在不同温度时K3、K4的值如下表1：
700℃900℃
K31.472.15
K42.381.67
请回答（不考虑温度对△H的影响）：
△H2=△H3-△H4（用△H3和△H4表示），K2=$\frac{{K}_{3}}{{K}_{4}}$ （用K3和K4表示），反应Ⅱ属于吸热反应（填“放热”或“吸热”）．
（3）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表2实验数据：
T（K）催化剂CO2转化率（%）甲醇选择性（%）
543Cat.112.342.3
543Cat.210.972.7
553Cat.115.339.1
553Cat.212.071.6
【备注】Cat.1：$\frac{Cu}{ZnO}$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在Cu/ZnO催化剂存在下，有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有CD．
A．使用催化剂Cat.1        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
②表2中实验数据表明，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，其原因是表中数据表明此时未达到平衡，不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响．

分析 （1）平衡常数为生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值；温度升高，反应速率加快，包括正逆反应速率均增大；
（2）根据盖斯定律反应 CO2（g）+H2（g）?CO（g）+H2O（g）可以有①Fe（s）+CO2（g）?FeO（s）+CO（g）和②Fe（s）+H2O（g）?FeO（s）+H2（g）通过①-②得到，由此计算△H2和K2，通过计算700℃和900℃时K2的值，并结合平衡常数的影响因素判断此反应是放热还是吸热反应；
（3）①由CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）△H1=-53.7kJ•mol-8 可知提高CO2转化为CH3OH平衡转化率，应使平衡向正向移动，可降低温度，增大浓度；
②不同的催化剂的催化能力不同，且催化剂具有选择性．

解答 解：（1）平衡常数为生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值，该反应的平衡常数为：K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，若其它条件不变，升高温度，反应的逆反应速率增大，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；增大；
（2）反应 CO2（g）+H2（g）?CO（g）+H2O（g）可以有①Fe（s）+CO2（g）?FeO（s）+CO（g）和②Fe（s）+H2O（g）?FeO（s）+H2（g）通过①-②得到，根据盖斯定律可知，△H2=△H3-△H4，K2=$\frac{{K}_{3}}{{K}_{4}}$，则700℃时K2=$\frac{{K}_{3}}{{K}_{4}}$=$\frac{1.47}{2.38}$=0.62，和900℃时K2=$\frac{{K}_{3}}{{K}_{4}}$=$\frac{2.15}{1.67}$=1.29，可知此反应的平衡常数随温度的升高而增大，即温度升高，平衡正向移动，可知此反应为吸热反应；
故答案为：△H3-△H4；$\frac{{K}_{3}}{{K}_{4}}$；吸热；
（3）①A．使用催化剂Cat.1，平衡不移动，不能提高转化率，故A错误；  
B、使用催化剂Cat.2，不能提高转化率，故B错误；
C、降低反应温度，平衡正向移动，可增大转化率，故C正确； 
D、投料比不变，增加反应物的浓度，衡正向移动，可增大转化率，故D正确；
E、增大 CO2和H2的初始投料比，可增大氢气的转化率，二氧化碳的转化率减小，故E错误．
故答案为：CD；
②从表中数据分析，在相同温度下，不同的催化剂二氧化碳的转化率不同，说明不同的催化剂的催化能力不同，相同的催化剂不同的温度，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，说明表中数据是未达到平衡数据，
故答案为：表中数据表明此时未达到平衡，不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡的计算，平衡移动以及热化学方程式、电化学等知识，为高考常见题型，题目难度中等，侧重于学生的分析能力、计算能力的考查，注意把握盖斯定律的应用，电解池的工作原理等知识．

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