教材高中化學(xué)化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率微項目探討如何利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成甲醇-化學(xué)反應(yīng)選擇與反應(yīng)條件優(yōu)化學(xué)案魯科版選擇性必修

/11/11/微項目探討如何利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成甲醇——化學(xué)反應(yīng)選擇與反應(yīng)條件優(yōu)化課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.通過利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成甲醇反應(yīng)的選擇，以及對反應(yīng)條件的優(yōu)化，體會反應(yīng)的焓變、熵變、化學(xué)平衡和速率相關(guān)知識的應(yīng)用價值，形成從物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及反應(yīng)的方向、限度、快慢等多個角度綜合分析、解決工業(yè)生產(chǎn)實際問題的基本思路。2.通過本項目的學(xué)習(xí)，樹立綠色化學(xué)理念，認識到利用化學(xué)反應(yīng)將無用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)是解決環(huán)境問題的重要途徑之一。1.科學(xué)探究與創(chuàng)新意識:通過探究工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成甲醇反應(yīng)的選擇以及對反應(yīng)條件的優(yōu)化，認識科學(xué)探究是進行科學(xué)解釋、創(chuàng)造和應(yīng)用的實踐活動。能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，運用化學(xué)實驗、調(diào)查等方法進行實驗探究。2.科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任:通過本項目的學(xué)習(xí)，感受化學(xué)知識在解決實際問題中的應(yīng)用價值。有理論聯(lián)系實際的觀念，有將化學(xué)成果應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的意識。項目活動·學(xué)科探究項目活動1選擇合適的化學(xué)反應(yīng)微知識1.選擇二氧化碳合成甲醇的原因（1）目前有機原料按消費量排序，前4位是乙烯、丙烯、苯、①甲醇。（2）現(xiàn)在合成甲醇的原料大多數(shù)國家以②天然氣為主要原料，我國則是以③煤和重渣油為主要原料。（3）選擇COa.工業(yè)廢氣中含大量COb.天然氣、煤、石油屬于不可再生資源，日漸減少；c.用CO2.設(shè)計適于工業(yè)生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)考慮的角度（1）反應(yīng)在指定條件下能否④正向自發(fā)進行；（2）考慮原料的⑤來源等。微探究1.CO2的大量排放有什么危害？試設(shè)想如何將答案：提示CO2大量排放加劇“溫室效應(yīng)”將導(dǎo)致南極、北極冰雪融化，海平面上升，病蟲害增加，氣候反常等，從而使人類生存環(huán)境惡化。可以通過化學(xué)反應(yīng)，使2.已知二氧化碳合成甲醇可能用到以下反應(yīng)：①C②C反應(yīng)ΔΔ①-48.97-177.16②+676.48-43.87（1）請根據(jù)焓變和熵變判斷上述2個反應(yīng)是否能正向自發(fā)進行？應(yīng)該選擇哪個反應(yīng)？（2）判斷反應(yīng)①的正向自發(fā)進行的最高溫度為多少？答案：（1）提示反應(yīng)①屬于放熱的熵減小反應(yīng)，低溫時反應(yīng)正向自發(fā)進行。反應(yīng)②屬于吸熱的熵減小反應(yīng)，在任何溫度下正向反應(yīng)均不自發(fā)進行。所以應(yīng)該選擇反應(yīng)①。（2）276.42?K。ΔH-TΔS＜03.利用氫氣和二氧化碳制取甲醇時，還可能發(fā)生反應(yīng)：CO答案：提示該反應(yīng)屬于吸熱的熵增加的反應(yīng)，在高溫下能正向自發(fā)進行。微點撥1.化學(xué)反應(yīng)方向的判斷（1）焓變、熵變對反應(yīng)方向的影響a.反應(yīng)焓變與反應(yīng)方向的關(guān)系：大部分ΔHb.反應(yīng)熵變與反應(yīng)方向的關(guān)系：大部分ΔSc.在溫度、壓強一定的條件下，自發(fā)反應(yīng)總是向ΔH（2）判斷依據(jù)2.設(shè)計化學(xué)反應(yīng)來解決實際問題的一般思路（1）在生產(chǎn)和科研實際中，我們常常需要設(shè)計新的反應(yīng)路線或試制新的化學(xué)品。這時，首先需要判斷所設(shè)計反應(yīng)是否可行，即判斷在某種條件下所設(shè)計反應(yīng)是否能夠正向自發(fā)進行、能進行到什么程度。（2）只有在確知所設(shè)計反應(yīng)可以正向自發(fā)進行時，才能進一步考慮反應(yīng)的速率問題并采取具體措施，如選用催化劑等。微訓(xùn)練1.（2021寧夏銀川高二月考）用釕的配合物作催化劑，一定條件下可直接光催化分解CO2發(fā)生反應(yīng)：A.該反應(yīng)的ΔB.該反應(yīng)的ΔC.該反應(yīng)的逆反應(yīng)在一定條件下也能自發(fā)進行D.該反應(yīng)的熵變效應(yīng)大于焓變效應(yīng)答案：B解析：題給反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，也就是熵增加的反應(yīng)，A正確。題給反應(yīng)是分解反應(yīng)，且該反應(yīng)的逆反應(yīng)是CO的燃燒，是放熱反應(yīng)，所以該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，B錯誤。雖然題給反應(yīng)的逆反應(yīng)是熵減小的反應(yīng)，但反應(yīng)放熱，一定條件下可以自發(fā)進行，C正確。題給反應(yīng)的ΔS2.（2021河南濮陽聯(lián)考）下列說法不正確的是()A.Na與H2B.某吸熱反應(yīng)能自發(fā)進行，因此該反應(yīng)是熵增反應(yīng)C.(NH4D.2?NO(答案：C解析：(NH4)項目活動2選擇適宜的反應(yīng)條件微知識1.化學(xué)反應(yīng)適宜條件選擇的原則（1）綜合原則一般①從化學(xué)平衡和化學(xué)反應(yīng)速率、②主反應(yīng)和副反應(yīng)等多個方面綜合考慮，并根據(jù)有關(guān)理論和實驗數(shù)據(jù)對所選擇的條件進行論證。例如：選擇溫度時要綜合考慮溫度對③平衡移動方向、④反應(yīng)速率和⑤催化劑活性的影響考慮調(diào)控反應(yīng)體系中各組分濃度、促使平衡正向移動時需要考慮如何避免或減少⑥副反應(yīng)的發(fā)生及如何選擇性地促進⑦主反應(yīng)正向移動（2）催化劑尋找催化效率高、⑧選擇性高的催化劑，有效縮短到達平衡的時間，在盡可能短的時間內(nèi)獲得盡量多的產(chǎn)物。（3）其他條件工業(yè)生產(chǎn)中，還要考慮⑨成本、工藝、安全性等方面因素。2.外界條件對化學(xué)平衡的影響條件的改變（其他條件不變）化學(xué)平衡的移動濃度增大反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度向⑩正反應(yīng)方向移動減小反應(yīng)物濃度或增大生成物濃度向?逆反應(yīng)方向移動壓強（對有氣體存在的反應(yīng)）反應(yīng)前后氣體體積改變增大壓強向?氣體體積減小的方向移動減小壓強向?氣體體積增大的方向移動反應(yīng)前后氣體體積不變改變壓強平衡不移動溫度升高溫度向?吸熱反應(yīng)方向移動降低溫度向?放熱反應(yīng)方向移動催化劑使用催化劑，平衡不移動3.外界因素對化學(xué)反應(yīng)速率的影響影響因素影響結(jié)果（其他條件不變）濃度固體或純液體濃度為常數(shù)，增加反應(yīng)物的量，反應(yīng)速率?不變（但固體物質(zhì)的表面積影響反應(yīng)速率）氣體或溶液增大反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)速率?加快溫度升溫反應(yīng)速率?加快降溫反應(yīng)速率?減慢壓強加壓（縮小體積）對有氣體參加的反應(yīng)，正、逆反應(yīng)速率均?加快減壓（擴大體積）對有氣體參加的反應(yīng)，正、逆反應(yīng)速率均?減慢催化劑使用催化劑能同時同比例改變正、逆反應(yīng)的速率微探究1.二氧化碳合成甲醇反應(yīng)時，一定條件下，不同n(H2):n(CO2)對反應(yīng)的影響如下表，分析表中數(shù)據(jù)，實際生產(chǎn)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。由題表中數(shù)據(jù)可知，n(H2):n(CO2.二氧化碳合成甲醇反應(yīng)時，不同壓強對反應(yīng)的影響如下圖[523?K，n(H2):n(C答案：提示不是。分析題圖中數(shù)據(jù)可知，壓強越大，甲醇的產(chǎn)率越大，但從設(shè)備成本看，壓強越大生產(chǎn)成本越高。3.二氧化碳合成甲醇反應(yīng)時，不同溫度對反應(yīng)的影響如下圖[總壓5?MPa，n(H2):n(C答案：提示合成甲醇的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，平衡后溫度升高平衡向逆反應(yīng)方向移動，甲醇產(chǎn)率降低。4.綜合以上分析，合成甲醇的適宜條件應(yīng)如何選擇？答案：提示選擇合適的n(H5.從工業(yè)生產(chǎn)流程考慮還有哪些措施可提高甲醇的產(chǎn)率？答案：提示配置二氧化碳富集裝置、甲醇—水分離裝置以及副產(chǎn)物一氧化碳回收裝置等。微點撥化工生產(chǎn)適宜條件選擇的一般原則：條件原則從化學(xué)反應(yīng)速率分析既不能過快，又不能太慢從化學(xué)平衡移動分析既要注意外界條件對速率和平衡影響的一致性，又要注意二者影響的矛盾性從原料的利用率分析增加易得廉價原料，提高難得高價原料的利用率，從而降低生產(chǎn)成本從實際生產(chǎn)能力分析如設(shè)備承受高溫、高壓的能力等從催化劑的使用活性分析注意溫度對催化劑的活性的限制微訓(xùn)練1.低溫脫硝技術(shù)可用于處理廢氣中的氮氧化物，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為2?NHA.平衡時，其他條件不變，升高溫度可使該反應(yīng)的平衡常數(shù)增大B.平衡時，其他條件不變，增加NH3C.單位時間內(nèi)消耗NO和N2D.其他條件不變，使用高效催化劑，廢氣中氮氧化物的轉(zhuǎn)化率增大答案：C解析：由于題給反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度時，平衡向逆反應(yīng)方向移動，該反應(yīng)的平衡常數(shù)減小，A錯誤；增大一種反應(yīng)物的濃度，自身的轉(zhuǎn)化率降低，而其他反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率增大，B錯誤；單位時間內(nèi)消耗NO和N2的物質(zhì)的量之比為1:2時，說明v2.有平衡體系：CO(g)+2?A.高溫、高壓B.適宜溫度、高壓、催化劑C.低溫、低壓D.高溫、高壓、催化劑答案：B解析：此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，高溫使平衡逆向移動，甲醇的產(chǎn)率減小，故A、D錯誤；適宜的溫度和催化劑，有利于反應(yīng)速率增大，題給反應(yīng)的正反應(yīng)為體積減小的反應(yīng)，故高壓使平衡正向移動，故B正確；低壓下，平衡向逆反應(yīng)方向移動，不利于甲醇的產(chǎn)出，故C錯誤。評價檢測·素養(yǎng)提升1.下列對化學(xué)反應(yīng)預(yù)測正確的是()選項化學(xué)方程式已知條件預(yù)測AMΔ它是非自發(fā)反應(yīng)BW(ΔHx可能等于1、2、3C4?能自發(fā)進行ΔHD4M(常溫下，自發(fā)進行ΔA.AB.BC.CD.D答案：B解析：A項，ΔH＞0,ΔS＞0，高溫下題給反應(yīng)能自發(fā)進行；C項，題給反應(yīng)ΔS＞0，若使ΔH-T2.（2021山東濰坊高二月考）下列有關(guān)化學(xué)反應(yīng)方向及其判據(jù)的說法中正確的是()A.非自發(fā)反應(yīng)就是不可能發(fā)生的反應(yīng)，自發(fā)反應(yīng)就是能較快進行的反應(yīng)B.高溫、高壓下石墨轉(zhuǎn)化為金剛石是自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)C.由焓判據(jù)和熵判據(jù)組合而成的復(fù)合判據(jù)適合于所有的化學(xué)反應(yīng)D.反應(yīng)NH3(答案：C解析：A項，非自發(fā)反應(yīng)在一定條件下也能發(fā)生，自發(fā)反應(yīng)進行的也不一定較快，錯誤；B項，石墨轉(zhuǎn)化為金剛石，ΔH＞0，該反應(yīng)是非自發(fā)進行的化學(xué)反應(yīng)，錯誤；C項，焓判據(jù)和熵判據(jù)組合而成的復(fù)合判據(jù)，只要ΔH-TΔS＜0，反應(yīng)就可以自發(fā)進行，若ΔH3.以甲醇為原料在一定條件下合成乙烯，2?CHA.一段時間后甲醇反應(yīng)率下降可能是催化劑活性下降B.綜合圖1、圖2可知，甲醇還發(fā)生了其他反應(yīng)C.若改變甲醇蒸氣的流速，不會影響甲醇反應(yīng)率和乙烯產(chǎn)率D.制乙烯比較適宜的溫度是450?℃答案：C解析：催化劑活性是受溫度影響的，溫度太高，催化劑會失去活性，故A正確；根據(jù)2?CH3OH(g)?C2H4(g)+2?H4.一定條件下合成乙烯：6?H2(A.M點的正反應(yīng)速率v（正）大于N點的逆反應(yīng)速率v(逆)B.若投料比n(H2):n(CC.250?℃，催化劑對CD.當(dāng)溫度高于250?℃答案：B解析：化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的升高而加快，由題圖可知，當(dāng)溫度高于250?℃時，催化劑的催化效率隨溫度的升高而降低，所以M點的正反應(yīng)速率v（正）有可能小于N點的逆反應(yīng)速率v（逆），A錯誤；設(shè)開始投料時n(H2)為4?mol，則n(CO6?所以乙烯的體積分數(shù)為0.25?mol2.5?mol5.利用CO和H2可以合成甲醇，反應(yīng)原理為CO(g)+2?H2(g)?（1）p1（填“＞”“＜”或“=”）p（2）該甲醇合成反應(yīng)在A點的平衡常數(shù)K=（用a和V（3）該反應(yīng)達到平衡時，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率：CO（填“＞”“＜”或“=”）H2（4）下列措施中能夠同時滿足增大反應(yīng)速率和提高CO轉(zhuǎn)化率的是（填字母）。A.使用高效催化劑B.降低反應(yīng)溫度C.增大體系壓強D.不斷將CH3OH從反應(yīng)混合物中分離出來E.加入等物質(zhì)的量的CO答案：（1）＜;甲醇的合成反應(yīng)是氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，相同溫度下，增大壓強，CO的平衡轉(zhuǎn)化率提高（2）12?V2解析：（1）由題圖可知，相同溫度下，p2壓強下CO的平衡轉(zhuǎn)化率大于p1壓強下CO的平衡轉(zhuǎn)化率，正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，所以（2）向VL恒容密閉容器中充入amolCO與2amolH2，A點時CO的平衡轉(zhuǎn)化率為75%，故CO的變化量為0.75amol，則根據(jù)CO(g)+2?H2(g)?CH3OH(g)，H2的變化量為0.75amol×2=1.5amol，CH3OH的變化量為0.75amol，平衡時CO的濃度為0.25aVmol?L-1、H2的濃度為0.5aVm