第2章 微项目 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇

微项目　探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 基础过关练 1.工业上用CO2和H2合成甲醇涉及以下反应: 反应Ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1 反应Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2 在催化剂作用下,将1 mol CO2和2 mol H2的混合气体充入一恒容密闭容器中进行反应,达到平衡时,CO2的平衡转化率和容器中混合气体的平均相对分子质量随温度变化如图所示。下列判断正确的是 (　　) 已知:平衡时甲醇的选择性为生成甲醇消耗的CO2在CO2总消耗量中的占比。 A.ΔH2<0 B.T ℃,平衡时甲醇的选择性为40% C.T ℃,反应Ⅱ的平衡常数K= D.为同时提高CO2的平衡转化率和平衡时甲醇的选择性,应选择的反应条件为高温、高压 2.从CO2捕获技术应用中分离出CO2并用作原料气体来合成基础化工品是很有前景的方法。 (1)CO2与H2在某催化剂作用下可以生成甲醇,反应如下:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)。反应历程如图所示(吸附在催化剂表面的物质用“*”标注,如*CO2表示单个CO2分子吸附在催化剂表面;图中*H已省略)。 ①上述合成甲醇的反应过程中决定反应速率的步骤是　　　　　(用 化学方程式表示)。 ②有利于提高平衡时CO2转化率的措施有　　　　　(填字母)。 a.使用催化剂　　　　　　　b.增大压强 c.增大CO2和H2的投料比　　d.降低温度 (2)在催化剂(Ni/xMg)作用下CO2和H2反应还可以生成甲烷,反应如下:CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)。以5 mol H2和1 mol CO2为初始原料,保持总压为p0发生反应,不同温度下在相同时间测得CO2的转化率如图。 ①三种催化剂中,催化效果最好的是　　　　。使用Ni催化反应,1.2 min达到A点,化学反应速率v(H2)=　　　　　g·min-1。 ②B点的平衡常数Kp计算式为　　　　　(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×气体物质的量分数)。 能力提升练 1.甲醇是一种理想的可再生清洁能源。CO2和H2在一定条件下合成甲醇:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH,相关物质的能量如图1所示;在两个容积相同的密闭容器中分别充入n mol CO2和3n mol H2,在两种催化剂(Ⅰ和Ⅱ)、不同温度下发生上述反应,经过相同时间测得CO2的转化率与温度的关系曲线如图2所示(不考虑温度对催化剂活性的影响),下列说法不正确的是 (　　) A.ΔH=-49.3 kJ·mol-1 B.C点的正反应速率:v正(Ⅰ)=v正(Ⅱ) C.在T2 K时,此反应活化能:催化剂Ⅰ>催化剂Ⅱ D.T1~T3 K,反应未达平衡,CO2的转化率随温度升高而增大 2.我国科学家研发的“液态阳光”计划通过太阳能发电电解水制氢,再采用高选择性催化剂将二氧化碳加氢制备甲醇。 已知:CH3OH产率= (1)制备甲醇的主反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-48.7 kJ·mol-1。该过程中还存在一个生成CO的副反应,结合反应:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)　ΔH2=-90.0 kJ·mol-1,写出该副反应的热化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (2)为同时提高CO2的平衡转化率和CH3OH的平衡产率,反应条件应选择　　　　　　。(填“高温、高压”“低温、高压”或“高温、低压”) (3)将CO2和H2按物质的量之比1∶3混合,以固定流速通过盛放Cu/Zn/Al/Zr催化剂的反应器,在相同时间内,不同温度下的实验数据如图所示。 ①催化剂活性最好的温度为　　　　(填字母序号)。 a.483 K　　b.503 K　　c.523 K　　d.543 K ②温度由523 K升到543 K,CO2的平衡转化率和CH3OH的实验产率均降低,解释原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 (4)不同压强下,按照n(CO2)∶n(H2)=1∶3投料,CO2的平衡转化率随温度变化关系如图所示。p1时曲线出现拐点的温度高于p2时的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 答案与分层梯度式解析 基础过关练 1.C　由题图可知,250 ℃之前,随温度升高,CO2的平衡转化率减小,混合气体的平均相对分子质量减 ... ...