2024-2025学年新教材高中化学第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-化学反应选择与反应条件优化学案鲁科版选择性必修1

PAGEPAGE7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学问的应用价值，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。通过本项目的学习，树立绿色化学理念，相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。[必备学问]1．目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。2．合成甲醇的原料eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(大多数国家用CH4,我国用煤和重渣油))3．选择CO2作碳源合成甲醇的缘由(1)工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题；(2)自然气、煤、石油属于不行再生资源，日渐削减；(3)用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。项目活动1选择合适的化学反应假设反应焓变和熵变不随温度的变更而变更，已知298K，100kPa时，有如下反应：①CO2(g)＋3H2(g)=CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH＝－48.97kJ·mol－1ΔS＝－177.16J·mol－1·K－1②CO2(g)＋2H2O(g)=CH3OH(g)＋eq\f(3,2)O2(g)ΔH＝＋676.48kJ·mol－1ΔS＝－43.87J·mol－1·K－1③CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g)ΔH＝＋41.17kJ·mol－1ΔS＝＋42.08J·mol－1·K－1[思索]1．请依据焓变和熵变复合判据推断上述三个反应是否正向自发进行？提示：反应①，ΔH－TΔS＝－48.97kJ·mol－1－298K×(－0.17716)kJ·mol－1·K－1≈3.82kJ·mol－1＞0，该反应属于放热熵减反应，降低温度时正向反应自发进行。反应②，ΔH－TΔS＝＋676.48kJ·mol－1－298K×(－0.04387)kJ·mol－1·K－1≈＋689.55kJ·mol－1＞0，该反应属于吸热熵减反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。反应③，ΔH－TΔS＝＋41.17kJ·mol－1－298K×0.04208kJ·mol－1·K－1≈＋28.63kJ·mol－1＞0，该反应属于吸热熵增反应，在高温下正向反应自发进行。2．用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？提示：有反应①、③，其中反应③是较高温度时的副反应。项目活动2选择相宜的反应条件1．理论分析角度1：反应限度(转化率)反应①在低温时自发进行，Δvg＜0，加压有利于合成甲醇。据此可知，合成甲醇应选择什么条件？提示：需在低温、高压条件下进行。角度2：反应速率为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、运用催化剂均可加快反应速率。冲突之处——发觉问题：升温，不利于反应①的平衡正向移动，同时副反应③正向移动，副产物增多；运用催化剂加快反应速率，但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。理论分析条件的选择工业生产的目的是获得利润，因此选择合成甲醇的相宜条件时，既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应速率、应选择以较高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。2．例证——实际合成甲醇条件的选择(1)不同n(H2)∶n(CO2)对反应的影响n(H2)∶n(CO2)2∶13∶15∶17∶1α(CO2)/%11.6313.6815.9318.71φ(CH3OH)/%3.044.125.266.93分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2转化率变更不明显，为避开造成大量氢气奢侈，合成甲醇时并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好。(2)变更压强对反应的影响不同总压对甲醇产率的影响523K，n(H2)∶n(CO)2＝3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维从图中数据变更可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。(3)温度对反应的影响不同温度对甲醇产率的影响总压5MPa，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。[思索]1．从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的相宜条件应如何选择？提示：应选择合适的n(H2)∶n(CO2)、较高的总压强、相宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。2．从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？提示：配置二氧化碳富集装置、甲醇—水分别装置以及副产物一氧化碳回收装置等。设计化学反应来解决实际问题的一般思路在生产和科研实际中，我们经常须要设计新的反应路途或设计试制新的化学品。这时，首先须要推断所设计反应是否可行，即推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。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实行详细措施，如选用催化剂等。1．肯定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g)CH2=CH2(g)＋4H2O(g)。已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图。下列说法正确的是()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(CO2)＝4∶1，则图中M点对应乙烯的体积分数为5.88%C．250℃，催化剂对CO2D．当温度高于250℃B[化学反应速率随温度的上升而加快，由题图可知，当温度高于250℃时，催化剂的催化效率随温度的上升而降低，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；设起先投料时n(H2)为4mol，则n(CO2)为1mol，在M6H2(g)＋2CO2(g)CH2=CH2(g)＋4H2O(g)起先物质的量/mol4100转化物质的量/mol1.50.50.251平衡物质的量/mol2.50.50.251所以乙烯的体积分数为eq\f(0.25,2.5＋0.5＋0.25＋1)×100%≈5.88%，B正确；催化剂不影响平衡转化率，只影响化学反应速率，C错误；依据题图可知，当温度高于250℃时，上升温度二氧化碳的平衡转化率降低，则说明平衡逆向移动，但催化剂的催化效率与化学平衡没有关系，并不是平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低，D错误。]2．利用CO和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。肯定条件下，在容积为VL的密闭容器中充入amolCO与2amolH2合成甲醇，CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。(1)p1________p2(填“＞”“＜”或“＝”)，理由是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)该甲醇合成反应在A点的平衡常数K＝________________________(用a和V表示)。(3)该反应达到平衡时，反应物的转化率：CO________H2(填“＞”“＜”或“＝”)。(4)下列措施中能够同时满意增大反应速率和提高CO转化率的是________(填字母)。A．运用高效催化剂B．降低反应温度C．增大体系压强D．不断将CH3OH从反应混合物中分别出来E．加入等物质的量的CO和H2[解析](1)由图像可知，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，平衡正向移动，所以p1＜p2。(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的变更量为0.75amol，则依据CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)，H2的变更量为0.75amol×2＝1.5amol，CH3OH的变更量为0.75amol，平衡时CO的浓度为eq\f(0.25a,V)mol·L－1、H2的浓度为eq\f(0.5a,V)mol·L－1、CH3OH的浓度为eq\f(0.75a,V)mol·L－1，平衡常数K＝eq\f(c平CH3OH,c平CO·c\o\al(2,平)H2)，代入数据得K＝eq\f(12V2,a2)(mol·L－1)－2。(3)CO和H2的初始加入量之比为1∶2，等于其系数之比，故CO和H2的转化率相等。(4)运用高效催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡的移动，故A错误；降低反应温度，反应速率减慢，故B错误；增大体系压强，反应速率加快，平衡正向移动，CO的转化率增大，故C正确；不断将CH3OH从反应混合物中分别出来，降低浓度，反应速率减慢，故D错误；加入等物质的量的CO和H2，反应速率增大，但CO的转化率降低，故E错误。[答案](1)＜甲醇的合成反应是气体分子数削减的反应，相同温度下，增大压强，CO的平衡转化率提高(2)eq\f(12V2,a2)(mol·L－1)－2(3)＝(4)C一、化学反应的方向[答案]①能②不能③<④＝⑤>二、化学反应的限度[答案]①eq\f(c\o\al(p,平)Cc\o\al(q,平)D,c\o\al(m,平)A·c\o\al(n,平)B)②温度③eq\f(Δn平A,n始A)×100%④吸热⑤放热⑥正向⑦逆向⑧减小⑨增大三、化学反应的速率[答案]①eq\f(|ΔcA|,Δt)②mol·L－1·s－1或mol·L－1·min－1③反应物本身的性质④增大四、化学反应条件的优化——工业合成氨eq\a\vs4\al(理论应用,——合成,氨工业的,相宜条件)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(合成氨的化学平衡分,析，有利于提高转化率)\b\lc\{\rc\