教材高中化学化学反应的方向限度与速率微项目探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇-化学反应选择与反应条件优化学案鲁科版选择性必修

/11/11/微项目探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇——化学反应选择与反应条件优化课标解读课标要求素养要求1.通过利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择，以及对反应条件的优化，体会反应的焓变、熵变、化学平衡和速率相关知识的应用价值，形成从物质转化以及反应的方向、限度、快慢等多个角度综合分析、解决工业生产实际问题的基本思路。2.通过本项目的学习，树立绿色化学理念，认识到利用化学反应将无用物质转化为有用物质是解决环境问题的重要途径之一。1.科学探究与创新意识:通过探究工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择以及对反应条件的优化，认识科学探究是进行科学解释、创造和应用的实践活动。能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究。2.科学态度与社会责任:通过本项目的学习，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。有理论联系实际的观念，有将化学成果应用于生产、生活的意识。项目活动·学科探究项目活动1选择合适的化学反应微知识1.选择二氧化碳合成甲醇的原因（1）目前有机原料按消费量排序，前4位是乙烯、丙烯、苯、①甲醇。（2）现在合成甲醇的原料大多数国家以②天然气为主要原料，我国则是以③煤和重渣油为主要原料。（3）选择COa.工业废气中含大量COb.天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少；c.用CO2.设计适于工业生产的化学反应考虑的角度（1）反应在指定条件下能否④正向自发进行；（2）考虑原料的⑤来源等。微探究1.CO2的大量排放有什么危害？试设想如何将答案：提示CO2大量排放加剧“温室效应”将导致南极、北极冰雪融化，海平面上升，病虫害增加，气候反常等，从而使人类生存环境恶化。可以通过化学反应，使2.已知二氧化碳合成甲醇可能用到以下反应：①C②C反应ΔΔ①-48.97-177.16②+676.48-43.87（1）请根据焓变和熵变判断上述2个反应是否能正向自发进行？应该选择哪个反应？（2）判断反应①的正向自发进行的最高温度为多少？答案：（1）提示反应①属于放热的熵减小反应，低温时反应正向自发进行。反应②属于吸热的熵减小反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。所以应该选择反应①。（2）276.42?K。ΔH-TΔS＜03.利用氢气和二氧化碳制取甲醇时，还可能发生反应：CO答案：提示该反应属于吸热的熵增加的反应，在高温下能正向自发进行。微点拨1.化学反应方向的判断（1）焓变、熵变对反应方向的影响a.反应焓变与反应方向的关系：大部分ΔHb.反应熵变与反应方向的关系：大部分ΔSc.在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向ΔH（2）判断依据2.设计化学反应来解决实际问题的一般思路（1）在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或试制新的化学品。这时，首先需要判断所设计反应是否可行，即判断在某种条件下所设计反应是否能够正向自发进行、能进行到什么程度。（2）只有在确知所设计反应可以正向自发进行时，才能进一步考虑反应的速率问题并采取具体措施，如选用催化剂等。微训练1.（2021宁夏银川高二月考）用钌的配合物作催化剂，一定条件下可直接光催化分解CO2发生反应：A.该反应的ΔB.该反应的ΔC.该反应的逆反应在一定条件下也能自发进行D.该反应的熵变效应大于焓变效应答案：B解析：题给反应的正反应是气体体积增大的反应，也就是熵增加的反应，A正确。题给反应是分解反应，且该反应的逆反应是CO的燃烧，是放热反应，所以该反应是吸热反应，B错误。虽然题给反应的逆反应是熵减小的反应，但反应放热，一定条件下可以自发进行，C正确。题给反应的ΔS2.（2021河南濮阳联考）下列说法不正确的是()A.Na与H2B.某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应C.(NH4D.2?NO(答案：C解析：(NH4)项目活动2选择适宜的反应条件微知识1.化学反应适宜条件选择的原则（1）综合原则一般①从化学平衡和化学反应速率、②主反应和副反应等多个方面综合考虑，并根据有关理论和实验数据对所选择的条件进行论证。例如：选择温度时要综合考虑温度对③平衡移动方向、④反应速率和⑤催化剂活性的影响考虑调控反应体系中各组分浓度、促使平衡正向移动时需要考虑如何避免或减少⑥副反应的发生及如何选择性地促进⑦主反应正向移动（2）催化剂寻找催化效率高、⑧选择性高的催化剂，有效缩短到达平衡的时间，在尽可能短的时间内获得尽量多的产物。（3）其他条件工业生产中，还要考虑⑨成本、工艺、安全性等方面因素。2.外界条件对化学平衡的影响条件的改变（其他条件不变）化学平衡的移动浓度增大反应物浓度或减小生成物浓度向⑩正反应方向移动减小反应物浓度或增大生成物浓度向?逆反应方向移动压强（对有气体存在的反应）反应前后气体体积改变增大压强向?气体体积减小的方向移动减小压强向?气体体积增大的方向移动反应前后气体体积不变改变压强平衡不移动温度升高温度向?吸热反应方向移动降低温度向?放热反应方向移动催化剂使用催化剂，平衡不移动3.外界因素对化学反应速率的影响影响因素影响结果（其他条件不变）浓度固体或纯液体浓度为常数，增加反应物的量，反应速率?不变（但固体物质的表面积影响反应速率）气体或溶液增大反应物的浓度，反应速率?加快温度升温反应速率?加快降温反应速率?减慢压强加压（缩小体积）对有气体参加的反应，正、逆反应速率均?加快减压（扩大体积）对有气体参加的反应，正、逆反应速率均?减慢催化剂使用催化剂能同时同比例改变正、逆反应的速率微探究1.二氧化碳合成甲醇反应时，一定条件下，不同n(H2):n(CO2)对反应的影响如下表，分析表中数据，实际生产中是不是n(H2n(2:13:15:17:1α(11.6313.6815.9318.71φ(3.044.125.266.93答案：提示不是。由题表中数据可知，n(H2):n(CO2.二氧化碳合成甲醇反应时，不同压强对反应的影响如下图[523?K，n(H2):n(C答案：提示不是。分析题图中数据可知，压强越大，甲醇的产率越大，但从设备成本看，压强越大生产成本越高。3.二氧化碳合成甲醇反应时，不同温度对反应的影响如下图[总压5?MPa，n(H2):n(C答案：提示合成甲醇的反应是放热反应，平衡后温度升高平衡向逆反应方向移动，甲醇产率降低。4.综合以上分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？答案：提示选择合适的n(H5.从工业生产流程考虑还有哪些措施可提高甲醇的产率？答案：提示配置二氧化碳富集装置、甲醇—水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。微点拨化工生产适宜条件选择的一般原则：条件原则从化学反应速率分析既不能过快，又不能太慢从化学平衡移动分析既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性从原料的利用率分析增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本从实际生产能力分析如设备承受高温、高压的能力等从催化剂的使用活性分析注意温度对催化剂的活性的限制微训练1.低温脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物，发生的化学反应为2?NHA.平衡时，其他条件不变，升高温度可使该反应的平衡常数增大B.平衡时，其他条件不变，增加NH3C.单位时间内消耗NO和N2D.其他条件不变，使用高效催化剂，废气中氮氧化物的转化率增大答案：C解析：由于题给反应为放热反应，升高温度时，平衡向逆反应方向移动，该反应的平衡常数减小，A错误；增大一种反应物的浓度，自身的转化率降低，而其他反应物的转化率增大，B错误；单位时间内消耗NO和N2的物质的量之比为1:2时，说明v2.有平衡体系：CO(g)+2?A.高温、高压B.适宜温度、高压、催化剂C.低温、低压D.高温、高压、催化剂答案：B解析：此反应为放热反应，高温使平衡逆向移动，甲醇的产率减小，故A、D错误；适宜的温度和催化剂，有利于反应速率增大，题给反应的正反应为体积减小的反应，故高压使平衡正向移动，故B正确；低压下，平衡向逆反应方向移动，不利于甲醇的产出，故C错误。评价检测·素养提升1.下列对化学反应预测正确的是()选项化学方程式已知条件预测AMΔ它是非自发反应BW(ΔHx可能等于1、2、3C4?能自发进行ΔHD4M(常温下，自发进行ΔA.AB.BC.CD.D答案：B解析：A项，ΔH＞0,ΔS＞0，高温下题给反应能自发进行；C项，题给反应ΔS＞0，若使ΔH-T2.（2021山东潍坊高二月考）下列有关化学反应方向及其判据的说法中正确的是()A.非自发反应就是不可能发生的反应，自发反应就是能较快进行的反应B.高温、高压下石墨转化为金刚石是自发的化学反应C.由焓判据和熵判据组合而成的复合判据适合于所有的化学反应D.反应NH3(答案：C解析：A项，非自发反应在一定条件下也能发生，自发反应进行的也不一定较快，错误；B项，石墨转化为金刚石，ΔH＞0，该反应是非自发进行的化学反应，错误；C项，焓判据和熵判据组合而成的复合判据，只要ΔH-TΔS＜0，反应就可以自发进行，若ΔH3.以甲醇为原料在一定条件下合成乙烯，2?CHA.一段时间后甲醇反应率下降可能是催化剂活性下降B.综合图1、图2可知，甲醇还发生了其他反应C.若改变甲醇蒸气的流速，不会影响甲醇反应率和乙烯产率D.制乙烯比较适宜的温度是450?℃答案：C解析：催化剂活性是受温度影响的，温度太高，催化剂会失去活性，故A正确；根据2?CH3OH(g)?C2H4(g)+2?H4.一定条件下合成乙烯：6?H2(A.M点的正反应速率v（正）大于N点的逆反应速率v(逆)B.若投料比n(H2):n(CC.250?℃，催化剂对CD.当温度高于250?℃答案：B解析：化学反应速率随温度的升高而加快，由题图可知，当温度高于250?℃时，催化剂的催化效率随温度的升高而降低，所以M点的正反应速率v（正）有可能小于N点的逆反应速率v（逆），A错误；设开始投料时n(H2)为4?mol，则n(CO6?所以乙烯的体积分数为0.25?mol2.5?mol5.利用CO和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)+2?H2(g)?（1）p1（填“＞”“＜”或“=”）p（2）该甲醇合成反应在A点的平衡常数K=（用a和V（3）该反应达到平衡时，反应物的转化率：CO（填“＞”“＜”或“=”）H2（4）下列措施中能够同时满足增大反应速率和提高CO转化率的是（填字母）。A.使用高效催化剂B.降低反应温度C.增大体系压强D.不断将CH3OH从反应混合物中分离出来E.加入等物质的量的CO答案：（1）＜;甲醇的合成反应是气体分子数减少的反应，相同温度下，增大压强，CO的平衡转化率提高（2）12?V2解析：（1）由题图可知，相同温度下，p2压强下CO的平衡转化率大于p1压强下CO的平衡转化率，正反应是气体体积减小的反应，压强增大，平衡向正反应方向移动，所以（2）向VL恒容密闭容器中充入amolCO与2amolH2，A点时CO的平衡转化率为75%，故CO的变化量为0.75amol，则根据CO(g)+2?H2(g)?CH3OH(g)，H2的变化量为0.75amol×2=1.5amol，CH3OH的变化量为0.75amol，平衡时CO的浓度为0.25aVmol?L-1、H2的浓度为0.5aVm