新教材2023-2024学年高中化学第2章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课件鲁科版选择性必修1

※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素养目标1.通过以工业废气中的二氧化碳为原料合成甲醇反应的自发性判断和条件选择,体会焓变、熵变、化学平衡和反应速率等相关知识的应用价值,逐步形成化学学科的变化观念与平衡思想及科学态度与社会责任的学科核心素养。2.在设计反应、判断方向性和选择条件的活动过程中,综合利用相关知识分析、解决有关问题,初步形成解决这类问题的一般思路并掌握有关的方法,从而形成证据推理与模型认知的学科核心素养。3.通过本项目的学习,树立绿色化学观念,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,体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。基础落实•必备知识全过关重难探究•能力素养全提升目录索引

基础落实•必备知识全过关必备知识1.利用焓变和熵变判断化学反应的方向

<>>=<2.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、高压能力等从催化剂的活性方面分析注意催化剂的活性对温度的限制【微思考】有人说压强越大,反应速率越快,而且利用反应CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g)合成甲醇转化率大,因此工业生产中常常使用高压,对吗?提示

不对。尽管压强大,对于CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g)而言,既有利于加快反应速率,又有利于提高反应物转化率,但考虑实际情况,压强越大对设备要求越高,生产成本越高,因此工业上往往选择合理的压强。自我检测判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)理论上说,甲醇与氧气的反应可设计成燃料电池。(

)(2)利用CO和H2合成甲醇,其物质的量之比是n(CO)∶n(H2)=1∶2。(

)(3)利用天然气合成甲醇的反应为CH4(g)+H2O(g)CH4O(g)+H2(g)。

(

)(4)甲醇是21世纪具有竞争力的清洁燃料之一。(

)(5)ΔH<0,ΔS<0的反应在低温下可能自发进行。(

)√√√√√重难探究•能力素养全提升探究一选择合适的化学反应合成甲醇问题探究CO2的大量排放有什么危害?试设想如何将CO2变废为宝?提示

CO2产生“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CO2和氢气(或水等)在催化剂作用下合成甲醇。归纳拓展热力学角度分析合成甲醇反应能否进行从工业废气中合成甲醇,是近年来科学研究的热点。甲醇是重要的化工原料。利用CO2和氢源(H2、H2O)在催化剂的作用下合成甲醇,可能发生的反应如下:①CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=-48.97kJ·mol-1,ΔS1=-177.16J·mol-1·K-1;②CO2(g)+2H2O(g)==CH3OH(g)+O2(g)

ΔH2=+676.48kJ·mol-1,ΔS2=-43.87J·mol-1·K-1③CO2(g)+H2(g)==CO(g)+H2O(g)

ΔH3=+41.17kJ·mol-1,ΔS3=+42.08J·mol-1·K-1。根据判据ΔH-TΔS判断反应①低温下能正向自发进行,反应②任何情况下都不能自发进行,反应③在高温下能正向自发进行。应用体验视角1利用二氧化碳合成甲醇1.在一定条件下,利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH1,研究发现,反应过程中会发生副反应CO2(g)+H2(g)==CO(g)+H2O(g)

ΔH2,温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法不正确的是(

)A.ΔH1<0,ΔH2>0B.增大压强有利于加快合成反应的速率C.生产过程中,温度越高越有利于提高CH3OH的产率D.选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生C解析

根据图像可以看出,温度越高,CO的产率越高,CH3OH的产率越低,可知ΔH1<0,ΔH2>0,A正确,C错误;对于气体反应,增大压强都能加快合成反应的速率,B正确;合适的负催化剂可以减弱副反应的发生,D正确。2.T

℃时,在1L的密闭容器中充入2molCO2和6molH2,一定条件下发生反应:CO2(g)+3H2(g)

CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH1=-48.97kJ·mol-1,测得H2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如下表所示。下列说法不正确的是(

)B视角2利用一氧化碳合成甲醇3.在绝热的某刚性容器中充入1molCO和2molH2,发生反应:CO(g)+2H2(g)

CH3OH(g)

ΔH。下列说法中能够判断该反应一定处于平衡状态的有(

)①容器中CO、H2、CH3OH共存②单位时间内生成1molCH3OH的同时消耗2molH2

③CO(g)与CH3OH(g)体积之比恒定不变④容器中温度恒定不变⑤容器中CO、H2、CH3OH的物质的量之比为1∶2∶1

⑥反应容器中压强不随时间变化A.①②③ B.③④⑥

C.①⑤⑥

D.②⑤⑥B解析

①该反应是可逆反应,无论反应是否达到平衡状态,三种物质都存在,所以容器中三种物质共存时不一定达到平衡状态,①错误;②单位时间内生成1

mol

CH3OH的同时消耗2

mol

H2,只能表明化学反应正向进行,不能体现正逆反应速率相等,②错误;③只要平衡发生移动,CO(g)与CH3OH(g)体积之比就会发生改变,因此当二者体积的比值恒定不变时,反应达平衡状态,③正确;④只要平衡发生移动,容器中温度就会发生改变,则温度恒定不变时,反应达平衡状态,④正确;⑤容器中CO、H2、CH3OH的物质的量之比为1∶2∶1,这与反应的初始物质的量以及反应的转化程度有关,不能确定是否达到平衡状态,⑤错误;⑥该反应是气体体积缩小的反应,只要未达平衡,各物质的浓度就会发生改变,压强也会发生改变,当压强不随时间而改变时,各物质的浓度不变,反应达平衡状态,⑥正确;综合以上分析,③④⑥符合题意;故选B。4.在恒容密闭容器中,由CO合成甲醇:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),在其他条件不变的情况下研究温度对反应的影响,实验结果如图所示,下列说法正确的是(

)D探究二选择适宜的反应条件问题探究选择合成甲醇适宜的反应条件时,你会考虑哪些影响因素?提示结合反应速率和化学平衡的影响因素,需要考虑温度、浓度、压强、催化剂对反应的影响。总原则既要考虑有较快的反应速率,又要尽可能提高产率。1.利用CO2和H2合成甲醇在实际化工生产中适宜条件的选择主反应CO2(g)+3H2(g)==CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH1=-48.97kJ·mol-1,副反应CO2(g)+H2(g)==CO(g)+H2O(g)

ΔH2=+41.17kJ·mol-1。一般考虑以下因素:(1)反应物物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]:增大比值,甲醇的产率增大。(2)改变温度或压强:①同压下,升高温度平衡转化率减小;②同温下,增大压强平衡转化率增大。(3)改变催化剂的组成:组成改变影响甲醇的平衡转化率和选择性。综合理论和事实表明,较高的物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于甲醇的合成。归纳拓展2.项目成果展示(1)利用化学反应解决实际问题的一般思路。(2)目标化学反应设计过程及理论依据。

应用体验视角1合成甲醇适宜条件的选择

1.(1)已知反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g),在恒容密闭容器中按加入CO和H2合成甲醇,测得起始压强p0=102kPa。CO的平衡转化率[α(CO)]随温度的变化曲线如图所示,R点时反应的平衡常数Kp=_______(kPa)-2(用平衡分压代替平衡浓度计算,p分=p总×物质的量分数),R、S两点平衡常数大小:Kp(R)

(填“>”“=”或“<”)Kp(S)。

>解析

R点时CO的平衡转化率为0.50,设起始加入的CO为x

mol,根据“三段式”分析:

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)起始/mol

x

2x

0转化/mol

0.50x

1.0x

0.50x平衡/mol

0.50x

1.0x

0.50x不同温度的转化率越大,K越大,故Kp(R)>Kp(S)。

(2)CO可用于合成甲醇,反应的化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应的ΔH

(填“>”或“<”)0。实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右,选择此压强的理由是

。

<在1.3×104kPa时,CO的转化率已较高,再增大压强CO转化率提高不大,同时生产成本增加,得不偿失解析

从图像来看,随着温度的升高,CO的转化率变小,故ΔH<0。综合温度、压强对CO转化率的影响来看,在1.3×104

kPa时,CO的转化率已经很大,不必再增大压强。2.甲醇是重要的化工原料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂的作用下合成甲醇,可能发生的反应如下:ⅰ.CO2(g)+3H2(g)

CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH1ⅱ.CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)

ΔH2ⅲ.CH3OH(g)

CO(g)+2H2(g)

ΔH3回答下列问题:(1)已知反应ⅱ中相关化学键键能数据如下:化学键H—HC=OC≡OH—OE/(kJ·mol-1)4368031076465由此计算ΔH2=_______kJ·mol-1。已知ΔH3=+99kJ·mol-1,则ΔH1=_______kJ·mol-1。

+36-63解析

对于反应CO2(g)+H2(g)

CO(g)+H2O(g)

ΔH2,反应热=反应物总键能-反应产物总键能,故ΔH2=(2×803+436)

kJ·mol-1-(1

076+2×465)

kJ·mol-1=+36

kJ·mol-1;根据盖斯定律由ⅱ-ⅲ=ⅰ,故ΔH1=ΔH2-ΔH3=+36

kJ·mol-1-(+99

kJ·mol-1)=-63

kJ·mol-1。(2)一定比例的合成气在装有催化剂的反应器中反应12小时。体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图1所示。①温度为470K时,图中P点

(填“是”或“不是”)处于平衡状态。在490K之前,甲醇产率随着温度升高而增大的原因是

;490K之后,甲醇产率下降的原因是

。

②一定能提高甲醇产率的措施是

(填字母)。

A.增大压强

B.升高温度C.选择合适的催化剂

D.加入大量催化剂不是

温度越高化学反应速率越快

升高温度,反应ⅰ平衡逆向移动、催化剂活性降低

AC解析

①温度为470

K时,图中P点不是处于平衡状态。在490

K之前,甲醇产率随着温度升高而增大的原因是温度越高化学反应速率越快;490

K之后,甲醇产率下降的原因是升高温度,反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低。②A项,增大压强,反应ⅰ平衡正向移动,正确;B项,由题图可知,温度高于490

K时甲醇产率降低,错误;C项,选择合适催化剂,提高甲醇产率,正确;D项,加入大量催化剂,不能影响平衡,错误。(3)图2为一定比例的CO2/H2、CO/H2、CO/CO2/H2条件下甲醇生成速率与温度的关系。①490K时,根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是

(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。

②490K时,曲线a与曲线b相比,CO的存在使甲醇的生成速率增大,从平衡移动的角度并结合反应ⅰ、ⅱ分析原因:

。

Ⅱ

CO促进反应ⅱ平衡逆向移动,二氧化碳和氢气的量增加,水蒸气的量减少,反应ⅰ正向进行解析

①490

K时,从甲醇的生成速率来看,a曲线大于c曲线,即甲醇来源于CO2和H2,故490

K时,根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是Ⅱ;②490

K时,曲线a与曲线b相比,CO的存在使甲醇生成速率增大,原因是:对于反应ⅱ来说CO是反应产物,CO促进反应ⅱ逆向移动,二氧化碳和氢气的量增加,水蒸气的量减少,反应ⅰ正向进行,故CO的存在使甲醇生成速率增大。视角2合成有机化合物过程的图像分析3.化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。一定温度下,向容积为2L的恒容密闭容器中充入6molCO2和8molH2,发生反应CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH=-48.97kJ·mol-1,测得n(H2)随时间的变化如曲线Ⅰ所示。下列说法正确的是(

)A.该反应在0~8min内CO2的平均反应速率是0.375mol·L-1·min-1B.保持温度不变,若起始时向上述容器中充入4molCO2、2molH2、2molCH3OH(g)和1molH2O(g),则此时反应向正反应方向进行C.保持温度不变,若起始时向上述容器中充入3molCO2和4molH2,则平衡时H2的体积分数等于20%D.改变条件得到曲线Ⅱ、Ⅲ,则曲线Ⅱ、Ⅲ改变的条件分别是升高温度、充入氦气B解析

由图中曲线Ⅰ可知,该反应在0~8

min内H2的变化量为6

mol,则CO2的变化量为2

mol,该反应在0~8

min内CO2的平均反应速率是

=0.125

mol·L-1·min-1,A项错误;由图中曲线Ⅰ可知,该反应在8

min时达到平衡,平衡混合物中有4

mol

CO2、2

mol

H2、2

mol

CH3OH(g)和2

mol

H2O(g),保持温度不变,若起始时向容器中充入4

mol

CO2、2

mol

H2、2

mol

CH3OH(g)和1

mol

H2O(g),相当于在原平衡状态的基础上减少1

mol

H2O(g),则此时反应向正反应方向进行,B项正确;原平衡混合物中H2的体积分数等于20%,保持温度不变,若起始时向上述容器中充入3

mol

CO2和4

mol

H2,相当于对原平衡减压,平衡逆向移动,则平衡时H2的体积分数大于20%,C项错误;该反应为放热反应,由图像可知,改变条件后,化学反应速率都加快,但是Ⅱ的平衡向左移动、Ⅲ的平衡向右移动,所以曲线Ⅱ改变的条件是升高温度,曲线Ⅲ改变的条件是增大压强,D项错误。4.工业上制备合成气的工艺主要是甲烷水蒸气重整:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

ΔH>0,在一定条件下,向容积为1L的密闭容器中充入1molCH4(g)和1molH2O(g),测得H2O(g)和H2(g)的浓度随时间变化曲线如图所示,下列说法正确的是(

)A.达到平衡时,CH4(g)的转化率为75%B.0~10min内,v(CO)=0.075mol·L-1·min-1C.该反应的化学平衡常数K=0.1875mol2·L-2D.当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率相等时,反应到达平衡C解析

由题图可知,10

min时反应达到平衡,平衡时水蒸气和氢气的浓度均为0.75

mol·L-1,则:

CH4(g)+H2O(g)

CO(g)+3H2(g)开始/(mol·L-1)

1

1

0

0转化/(mol·L-1)

0.25

0.25

0.25

0.75平衡/(mol·L-1)

0.75

0.75

0.250.75同一物质的消耗速率与其生成速率相等时,反应到达平衡,由方程式可知当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率为1∶3时,反应到达平衡,D项错误。5.煤化工是以煤为原料,经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料以及各种化工产品的工业过程。(1)将水蒸气通过红热的炭即可产生水煤气。反应的热化学方程式为C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)

ΔH=+131.3kJ·mol-1。一定温度下,在一个容积可变的密闭容器中,发生上述反应,下列能判断该反应达到化学平衡状态的是

(填字母,下同)。

a.容器中的压强不变b.1molH—H键断裂的同时断裂2molH—O键c.v正(CO)=v逆(H2O)d.c(CO)=c(H2)bc解析

对于容积可变的密闭容器,无论反应是否达平衡,压强都不变,故a不符合题意;1

mol

H—H键断裂表示v逆(H2),断裂2

mol

H—O键表示v正(H2O),且正、逆反应速率相等,故b符合题意;c中正、逆反应速率相等,符合题意;根据反应方程式可知,无论反应是否达平衡,都有c(CO)=c(H2),故d不符合题意。(2)将不同量的CO(g)和H2O(g)分别通入容积为2L的恒容密闭容器中,进行反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g),得到如下三组数据:①实验1中从开始到平衡以v(CO2)表示的反应速率为

。②该反应的逆反应为

(填“吸”或“放”)热反应。

③若实验3要