魯科版高中化學(xué)選擇性必修第一冊(cè)第2章微項(xiàng)目探討化學(xué)反應(yīng)選擇與反應(yīng)條件優(yōu)化課件

微項(xiàng)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)化第2章化學(xué)反應(yīng)的方向、限度與速率通過(guò)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(duì)反應(yīng)條件的優(yōu)化，體會(huì)反應(yīng)的焓變、熵變、化學(xué)平衡和速率相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)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(gè)角度綜合分析、解決工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的基本思路。通過(guò)本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，樹立綠色化學(xué)理念，認(rèn)識(shí)到利用化學(xué)反應(yīng)將無(wú)用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)是解決環(huán)境問(wèn)題的重要途徑之一。

3．選擇CO2作碳源合成甲醇的原因(1)工業(yè)廢氣中含大量CO2，排放到空氣中會(huì)帶來(lái)環(huán)境問(wèn)題。(2)天然氣、煤、石油屬于不可再生資源，日漸減少。(3)用CO2合成甲醇符合綠色化學(xué)要求。

選擇合適的化學(xué)反應(yīng)【思考】1．請(qǐng)根據(jù)焓變和熵變復(fù)合判據(jù)判斷上述三個(gè)反應(yīng)是否正向自發(fā)進(jìn)行？提示：反應(yīng)①：ΔH－TΔS＝－48.97kJ·mol-1－298K×(－0.17716)kJ·mol-1·K-1≈＋3.82kJ·mol-1＞0，該反應(yīng)屬于放熱熵減反應(yīng)，降低溫度時(shí)正向反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。反應(yīng)②：ΔH－TΔS＝＋676.48kJ·mol-1－298K×(－0.04387)kJ·mol-1·K-1≈＋689.55kJ·mol-1＞0，該反應(yīng)屬于吸熱熵減反應(yīng)，在任何溫度下正向反應(yīng)均不能自發(fā)進(jìn)行。反應(yīng)③：ΔH－TΔS＝＋41.17kJ·mol-1－298K×0.04208kJ·mol-1·K-1≈＋28.63kJ·mol-1＞0，該反應(yīng)屬于吸熱熵增反應(yīng)，在高溫下正向反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行。2．用CO2合成甲醇時(shí)發(fā)生的反應(yīng)有哪些？提示：有反應(yīng)①、③，其中反應(yīng)③是較高溫度時(shí)的副反應(yīng)。1．理論分析角度1：反應(yīng)限度(轉(zhuǎn)化率)反應(yīng)①在低溫時(shí)能正向自發(fā)進(jìn)行，Δνg＜0，加壓有利于合成甲醇。據(jù)此可知，合成甲醇應(yīng)在低溫、高壓條件下進(jìn)行。角度2：反應(yīng)速率為提高單位時(shí)間內(nèi)甲醇的產(chǎn)量需加快反應(yīng)速率。升溫、使用催化劑均可加快反應(yīng)速率。選擇適宜的反應(yīng)條件矛盾之處－－發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：升溫，不利于反應(yīng)①的平衡正向移動(dòng)，同時(shí)副反應(yīng)③正向移動(dòng)，副產(chǎn)物增多；使用催化劑加快反應(yīng)速率，但不影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，同時(shí)催化劑活性受溫度影響。理論分析條件的選擇工業(yè)生產(chǎn)的目的是獲得利潤(rùn)，因此選擇合成甲醇的適宜條件時(shí)，既不能片面追求高轉(zhuǎn)化率，也不能片面追求高反應(yīng)速率，應(yīng)選擇以較高反應(yīng)速率獲得適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。2．例證－－實(shí)際合成甲醇條件的選擇(1)不同n(H2)∶n(CO2)對(duì)反應(yīng)的影響n(H2)∶n(CO2)2∶13∶15∶17∶1α(CO2)/%11.6313.6815.9318.71φ(CH3OH)/%3.044.125.266.93分析表中數(shù)據(jù)看出，n(H2)∶n(CO2)數(shù)值增大，CO2轉(zhuǎn)化率變化不明顯，為避免造成大量氫氣浪費(fèi)，合成甲醇時(shí)并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好。(2)改變壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)的影響523K，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1，催化劑為Cu/Zn/Al/Zr納米纖維從圖中數(shù)據(jù)變化可看出，壓強(qiáng)越高，甲醇的產(chǎn)率越高，但從設(shè)備成本看，壓強(qiáng)越高，生產(chǎn)成本越高。(3)溫度對(duì)反應(yīng)的影響總壓5MPa，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1，催化劑為Cu/Zn/Al/Zr納米纖維從圖中信息看出溫度過(guò)高后甲醇產(chǎn)率下降。【思考】1．從以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的適宜條件應(yīng)如何選擇？提示：應(yīng)選擇合適的n(H2)∶n(CO2)、較高的總壓強(qiáng)、適宜的溫度和催化劑有利于合成甲醇。2.從工業(yè)生產(chǎn)流程考慮還有哪些手段可提高甲醇的產(chǎn)率？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。設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的一般思路在生產(chǎn)和科研實(shí)際中，我們常常需要設(shè)計(jì)新的反應(yīng)路線或設(shè)計(jì)試制新的化學(xué)品。這時(shí)，首先需要判斷所設(shè)計(jì)反應(yīng)是否可行，即判斷在某種條件下所設(shè)計(jì)反應(yīng)是否能夠正向自發(fā)進(jìn)行、能進(jìn)行到什么程度。只有在確知所設(shè)計(jì)反應(yīng)可以正向自發(fā)進(jìn)行時(shí)，才能進(jìn)一步考慮反應(yīng)的速率問(wèn)題并采取具體措施，如選用催化劑等。5243題號(hào)11．在催化劑作用下，用乙醇制乙烯，乙醇轉(zhuǎn)化率和乙烯選擇性(生成乙烯的物質(zhì)的量與乙醇轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量的比值)隨溫度、乙醇進(jìn)料量(單位：mL·min-1)的關(guān)系如圖所示(保持其他條件相同)。5243題號(hào)1在410～440℃溫度范圍內(nèi)，下列說(shuō)法不正確的是(

)A．當(dāng)乙醇進(jìn)料量一定時(shí)，隨乙醇轉(zhuǎn)化率增大，乙烯選擇性升高B．當(dāng)乙醇進(jìn)料量一定時(shí)，隨溫度的升高，乙烯選擇性不一定增大C．當(dāng)溫度一定時(shí)，隨乙醇進(jìn)料量增大，乙醇轉(zhuǎn)化率減小D．當(dāng)溫度一定時(shí)，隨乙醇進(jìn)料量增大，乙烯選擇性增大√5243題號(hào)1A

[根據(jù)圖像，當(dāng)乙醇進(jìn)料量一定時(shí)，隨乙醇轉(zhuǎn)化率增大，乙烯選擇性逐漸升高，但達(dá)到一定溫度后，乙烯選擇性都逐漸降低，故A項(xiàng)錯(cuò)誤、B項(xiàng)正確；根據(jù)題中第一個(gè)圖，當(dāng)溫度一定時(shí)，隨乙醇進(jìn)料量增大，乙醇轉(zhuǎn)化率減小，故C項(xiàng)正確；根據(jù)題中第二個(gè)圖，當(dāng)溫度一定時(shí)，隨乙醇進(jìn)料量增大，乙烯選擇性增大，故D項(xiàng)正確。]523題號(hào)14√2．在2L恒容密閉容器中充入1molCO、2molH2，在一定條件下發(fā)生如下反應(yīng)：2H2(g)＋CO(g)??CH3OH(g)

ΔH＝－90.1kJ·mol-1；CO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)之間的關(guān)系如圖所示。下列推斷正確的是(

)A．工業(yè)上，利用上述反應(yīng)合成甲醇，溫度越高越好B．圖像中X代表壓強(qiáng)，M1與M2代表不同溫度，且M2>M1C．圖像中P點(diǎn)代表的平衡常數(shù)K為4(mol·L-1)-2D．溫度和容積不變，再充入1molCO、2molH2，達(dá)到平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率不變C

[反應(yīng)2H2(g)＋CO(g)??CH3OH(g)

ΔH＝－90.1kJ·mol-1的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，導(dǎo)致原料利用率降低，A錯(cuò)誤；圖示中橫坐標(biāo)X越大CO的轉(zhuǎn)化率越大，說(shuō)明增大X平衡正向移動(dòng)，該反應(yīng)為氣體體積縮小的放熱反應(yīng)，則X代表壓強(qiáng)，M代表溫度，壓強(qiáng)一定時(shí)，溫度越高，CO的轉(zhuǎn)化率越小，則T(M2)<T(M1)，B錯(cuò)誤；P點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率為50%，消耗的n(CO)＝1mol×50%＝0.5mol，列三段式523題號(hào)14

523題號(hào)143．研究表明，在催化劑a(或催化劑b)存在下，CO2和H2能同時(shí)發(fā)生兩個(gè)平行反應(yīng)，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：①CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)ΔH1＝－53.7kJ·mol-1②CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)

ΔH2＝＋41.2kJ·mol-1某實(shí)驗(yàn)小組控制CO2和H2初始投料比為1∶2.2。在相同壓強(qiáng)下，經(jīng)過(guò)相同反應(yīng)時(shí)間測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：523題號(hào)41(備注)甲醇選擇性：轉(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分比。523題號(hào)41實(shí)驗(yàn)編號(hào)T/K催化劑CO2轉(zhuǎn)化率/%甲醇選擇性/%1543催化劑a12.342.32543催化劑b10.972.73553催化劑a15.339.14553催化劑b12.071.6下列說(shuō)法不正確的是(

)A．相同溫度下，該時(shí)段內(nèi)，催化劑b對(duì)CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH有較高的選擇性B．反應(yīng)①在無(wú)催化劑、有催化劑a和有催化劑b三種情況下能量示意圖如圖C．其他條件不變，增大反應(yīng)體系壓強(qiáng)，反應(yīng)②中平衡常數(shù)不變D．其他條件不變，升高溫度，反應(yīng)①中CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率增大523題號(hào)41√D

[由實(shí)驗(yàn)1、2可知，2中甲醇選擇性高，則相同溫度下，在該時(shí)刻催化劑b對(duì)CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH有較高的選擇性，A正確；催化劑可降低反應(yīng)的活化能，不影響始終態(tài)，且催化劑b對(duì)應(yīng)的活化能最小，圖像合理，B正確；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，則其他條件不變，增大反應(yīng)體系壓強(qiáng)，反應(yīng)②中平衡常數(shù)不變，C正確；反應(yīng)①為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，則升高溫度反應(yīng)①中CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率減小，D錯(cuò)誤。]523題號(hào)414．(雙選)利用CO2合成甲醇的反應(yīng)為CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)。恒壓條件下，在密閉容器中通入1molCO2和3molH2反應(yīng)一段時(shí)間，在使用催化劑和分子篩膜與兩者都不使用時(shí)，甲醇的產(chǎn)率隨溫度的變化如圖所示[已知分子篩膜能選擇性分離出H2O(g)]。下列說(shuō)法正確的是(

)A．P點(diǎn)：v正＝v逆B．曲線n表示反應(yīng)使用了催化劑和分子篩膜C．反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，CO2和H2的轉(zhuǎn)化率不相等D．常溫高壓條件下合成甲醇效率最高5243題號(hào)1√√AB

[由圖像可知，在相同溫度下，曲線n的甲醇的產(chǎn)率高于曲線m的，說(shuō)明曲線n的反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率更大，催化劑能加快反應(yīng)速度，且已知分子篩膜能分離出H2O(g)，有利于平衡正向移動(dòng)，故曲線n表示使用了催化劑和分子篩膜；由曲線n知，當(dāng)溫度高于一定值后，升高溫度，甲醇的產(chǎn)率下降，說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。結(jié)合曲線m知，P點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到平衡，故v正＝v逆，故A正確；由上述分析可知，曲線n表示使用了催化劑和分子篩膜，故B正確；由于加入的CO2和H2的物質(zhì)的量之比為1∶3，轉(zhuǎn)化的CO2和H2的物質(zhì)的量之比也為1∶3，故兩者的轉(zhuǎn)化率相等，故C錯(cuò)誤；由圖可知，升高溫度甲醇的產(chǎn)率減小，使用了催化劑和分子篩膜時(shí)，在210℃時(shí)甲醇的產(chǎn)率最大，且壓強(qiáng)越大，對(duì)設(shè)備要求越高，則常溫高壓下合成甲醇效率不一定最高，故D錯(cuò)誤。]5243題號(hào)15．甲醇是重要的化工原料，工業(yè)上可利用CO2生產(chǎn)甲醇，同時(shí)可減少溫室氣體二氧化碳的排放，發(fā)生反應(yīng)①：CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)

ΔH<0。(1)下列措施中，能提高CO2的平衡轉(zhuǎn)化率的是________(填字母)。A．在原料氣中加入適量H2O(g) B．從體系中不斷分離出甲醇C．循環(huán)利用原料氣

D．使用高效催化劑243題號(hào)15BC

243題號(hào)155×105Pa，210℃或9×105Pa，250℃______________________________________

。(3)在某催化劑作用下，CO2和H2除發(fā)生反應(yīng)①外，還發(fā)生反應(yīng)②：CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)

ΔH>0。維持壓強(qiáng)不變，按固定初始投料比將CO2和H2按一定流速通過(guò)該催化劑，經(jīng)相同時(shí)間測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：243題號(hào)15T/KCO2實(shí)際轉(zhuǎn)化率/%甲醇選擇性/%54312.342.355315.339.1注：甲醇的選擇性是指發(fā)生反應(yīng)的CO2中轉(zhuǎn)化為甲醇的百分比。表中數(shù)據(jù)說(shuō)明，升高溫度，CO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率提高而甲醇的選擇性降低，其原因是________________________________________________________________________________________________。243題號(hào)15

升高溫度，反應(yīng)①②的反應(yīng)速率均加快，但反應(yīng)②