Question

【題目】(1)2017年中科院某研究團(tuán)隊通過設(shè)計一種新型Na-Fe3O4/HZSM-5多功能復(fù)合催化劑，成功實現(xiàn)了CO2直接加氫制取辛烷值汽油，該研究成果被評價為“CO2催化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的突破性進(jìn)展”。

已知：H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1 = －aKJ/mol

C8H18(1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH2= －bKJ/mol

試寫出25℃、101kPa條件下，CO2與H2反應(yīng)生成汽油(以C8H18表示)的熱化學(xué)方程式_________________________________。

(2)利用CO2及H2為原料，在合適的催化劑(如Cu/ZnO催化劑)作用下，也可合成CH3OH，涉及的反應(yīng)有：

甲：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H= — 53.7kJ·mol-1 平衡常數(shù)K1

乙：CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H= + 41.2kJ·mol-1 平衡常數(shù)K2

①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數(shù)K=______(用含K1、K2的表達(dá)式表示)，該反應(yīng)△H_____0(填“大于”或“小于”)。

②提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有___________(填寫兩項)。

③催化劑和反應(yīng)體系的關(guān)系就像鎖和鑰匙的關(guān)系一樣，具有高度的選擇性。下列四組實驗，控制CO2和H2初始投料比均為1：2.2，經(jīng)過相同反應(yīng)時間(t1min)。

溫度(K)	催化劑	CO2轉(zhuǎn)化率(%)	甲醇選擇性(%)	綜合選項
543	Cu/ZnO納米棒材料	12.3	42.3	A
543	Cu/ZnO納米片材料	11.9	72.7	B
553	Cu/ZnO納米棒材料	15.3	39.1	C
553	Cu/ZnO納米片材料	12.0	70.6	D

由表格中的數(shù)據(jù)可知，相同溫度下不同的催化劑對CO2的轉(zhuǎn)化為CH3OH的選擇性有顯著影響，根據(jù)上表所給數(shù)據(jù)結(jié)合反應(yīng)原理，所得最優(yōu)選項為___________(填字母符號)。

(3)以CO、H2為原料合成甲醇的反應(yīng)為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。在體積均為2L的三個恒容密閉容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分別都充入1molCO和2molH2，三個容器的反應(yīng)溫度分別為T1、T2、T3且恒定不變。下圖為三個容器中的反應(yīng)均進(jìn)行到5min時H2的體積分?jǐn)?shù)示意圖，其中有一個容器反應(yīng)一定達(dá)到平衡狀態(tài)。

①0～5min時間內(nèi)容器Ⅱ中用CH3OH表示的化學(xué)反應(yīng)速率為_________________。

②三個容器中一定達(dá)到平衡狀態(tài)的是容器________(填寫容器代號)。

Answer 1

【答案】8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1)+16H2O(1) ΔH=—（25a-b）KJ/mol K= 小于 降低溫度、減小產(chǎn)物濃度 B 0.0875mol/(L·min) Ⅲ

【解析】

(1)已知：①H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1 =—aKJ/mol；

②C8H18(1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH2=—bKJ/mol

根據(jù)蓋斯定律，由①×25-②得反應(yīng)方程式：8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1) +16H2O(1) ΔH=25ΔH1-ΔH2=ΔH=—（25a-b）KJ/mol；

(2) ①已知甲：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=-53.7 kJ·mol-1平衡常數(shù)K1

乙：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H=+41.2 kJ·mol-1平衡常數(shù)K2；根據(jù)蓋斯定律，由甲-乙得反應(yīng)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的平衡常數(shù)K=；△H=-53.7 kJ·mol-1-41.2 kJ·mol-1=-94.9 kJ·mol-1<0；②反應(yīng)CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)是氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有降低溫度、減少產(chǎn)物濃度、按比例充入原料CO2和H2等；③由表中數(shù)據(jù)分析在相同溫度下不同催化劑對甲醇的選擇性有顯著影響，使用Cu/ZnO納米片催化劑時甲醇選擇性高；使用相同的催化劑在不同溫度下，雖然二氧化碳的轉(zhuǎn)化率增加，甲醇的選擇性卻減小，說明溫度升高，副產(chǎn)物增加，因此綜合考慮選B選項；

(3) ①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

開始時的物質(zhì)的量：1 2 0

轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量： a 2a a

平衡時的物質(zhì)的量：1-a 2-2a a

容器Ⅱ中0～5 min內(nèi)H2含量是20%，a=，v(CH3OH)= 0.0875mol/(L·min)；②Ⅲ中溫度高氫氣含量高，說明達(dá)到平衡升高溫度平衡逆向移動，氫氣含量增加。