Question

【題目】催化還原CO2是解決溫室效應及能源問題的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化劑存在下，CO2和H2可發(fā)生兩個反應，分別生成CH3OH和CO。反應的熱化學方程式如下:

I.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)H1=-53.7kJ/mol

II.CO2(g)+H2(g)CO(g)+ H2O(g)H2

某實驗控制CO2和H2初始投料比為1：2.2,經(jīng)過相同反應時間測得如下實驗數(shù)據(jù):

T(K)	催化劑	CO2轉化率(%)	甲醇選擇性(%)
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

[備注]Cat.1:Cu/ZnO納米棒，Cat.2:Cu/ZnO納米片；

甲醇選擇性:轉化的CO2中生成甲醇的百分比。

已知: ①CO和H2的標準燃燒熱分別為-283.0kJ/mol和285.8kJ/mol

②H2O(1)H2O(g) H3=+440kJ/mol

請回答(不考慮溫度對H的影響):

(1)a.反應II的H2=____kJ/mol。

b.800℃時，反應I和II對應的平衡常數(shù)分別為1.0和2.5，則該溫度下反應：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數(shù)K的數(shù)值為_____。

(2)在圖中分別畫出I在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應過程-能量”示意圖(在圖中標注出相應的催化劑) ____。

(3)工業(yè)生產(chǎn)甲醇還有如下方法:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

副反應:2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

若生產(chǎn)過理中在恒壓條件下通入水蒸氣，從化學平衡的角度分析該操作對生產(chǎn)甲醇帶來的利和弊____。

(4)利用光能和光催化劑，可將CO2和H2O(g)轉化為CH4和O2。紫外線照射時，在不同催化劑(1、I、III)作用下，CH4產(chǎn)量隨光照時間的變化如下圖所示。下列說法正確的是____

A.催化劑能加快化學反應速率，在反應開始時對正反應的催化效果更好

B.從圖中可知催化劑I的催化效果更好

C.若光照時間足夠長，三條由線將相交于一點

D.光照15h前，無論用所給的哪種催化劑，該反應均未達到平衡

(5)人們正在研究某種鋰一空氣電池，它是一種環(huán)境友好的蓄電池。放電時的總反應為:4Li+O2=2Li2O。在充電時，陽極區(qū)發(fā)生的過程比較復雜，目前普遍認可是按兩步反應進行，請補充完整。

電極反應式:______和Li2O2-2e-=2Li++O2

Answer 1

【答案】+41.20.4利:通入水蒸氣增大了水蒸氣的濃度，使副反應平衡左移，減少副反應的發(fā)生；弊:恒壓通入水蒸氣相當于減壓，使主反應平衡左移，甲醇平衡產(chǎn)量降低CD2Li2O-2e-=2Li++Li2O2

【解析】

本題考查反應熱的計算，根據(jù)催化劑可降低反應的活化能，但反應熱不變進行繪圖。

（1）a.根據(jù)CO和H2的標準燃燒熱分別為-283.0kJ/mol和285.8kJ/mol書寫熱化學方程式：

a：CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g) H=-283.0kJ/mol

b：H2(g)+1/2O2(g)=H2O (1) H=-285.8kJ/mol

c：H2O(1)H2O(g) H3=+44.0kJ/mol由蓋斯定律分析將b-a+c得CO2(g) + H2(g) = CO(g)+ H2O(g) H=（-285.8+283.0+44）kJ/mol =+41.2kJ/mol

b.根據(jù)熱化學方程式：I.CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)H1=-53.7kJ/mol

II.CO2(g)+H2(g)CO(g)+ H2O(g)H2=+41.2 kJ/mol分析，結合蓋斯定律，將反應I- II得，則該溫度下反應：CO(g)+2H2(g) CH3OH(g) H=-53.7-41.2 kJ/mol =-94.9 kJ/mol其反應的平衡常數(shù)K的數(shù)值1/2.5=0.4。（2）從表中數(shù)據(jù)分析，在催化劑的作用下，甲醇的選擇性更大，說明催化劑Cat.2對反應的催化效果更好，催化劑能降低反應的活化能，說明使用催化劑Cat.2的反應過程中活化能更低，因此圖為。（4）在生產(chǎn)過程中在恒壓條件下通入水蒸氣，利:通入水蒸氣增大了水蒸氣的濃度，使副反應平衡左移，減少副反應的發(fā)生；弊:恒壓通入水蒸氣相當于減壓，使主反應平衡左移，甲醇平衡產(chǎn)量降低。（5）A.催化劑能同等程度的影響反應速率，故錯誤；B.從圖分析催化劑的催化效果更好，故錯誤；C.三條線不斷上升，催化劑只能影響反應速率，不影響平衡，所以足夠長的時間，甲烷的產(chǎn)量會相同，三條線會相交于一點，故正確；D.因為隨著時間的延長，甲烷的產(chǎn)量在增加，說明光照15h前，無論用所給的哪種催化劑，該反應均未達到平衡，故正確。故選CD。（5）放電的總反應為：4Li+O2=2Li2O，所以充電的總反應為2Li2O=4Li+O2，陽極電極總反應為2Li2O-4e-=4Li++O2，陽極區(qū)分兩步反應，第二步Li2O2-2e-=2Li++O2，所以第一步反應為總反應-第二步反應即可得第一步反應： 2Li2O-2e-=2Li++Li2O2。