2022-2023學年新教材高中化學第2章化學反應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課件魯科版選擇性必修1

1、微項目探討如何利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳 合成甲醇第2章化學反應選擇與反應條件優(yōu)化 內容索引0102基礎落實必備知識全過關重難探究能力素養(yǎng)全提升03學以致用隨堂檢測全達標素養(yǎng)目標1.通過以工業(yè)廢氣中的二氧化碳為原料合成甲醇反應的自發(fā)性判斷和條件選擇,體會焓變、熵變、化學平衡和反應速率等相關知識的應用價值,逐步形成化學學科的變化觀念與平衡思想及科學態(tài)度與社會責任的學科核心素養(yǎng)。2.在設計反應、判斷方向性和選擇條件的活動過程中,綜合利用相關知識分析、解決有關問題,初步形成解決這類問題的一般思路并掌握有關的方法,從而形成證據推理與模型認知的學科核心素養(yǎng)。3.通過本項目的學習,樹立綠色化學觀念,認識到利

2、用化學反應將無用物質轉化為有用物質是解決環(huán)境問題的重要途徑之一,體驗化學學科的科學態(tài)度與社會責任的學科核心素養(yǎng)?；A落實必備知識全過關知識鋪墊工業(yè)上如何將CO2合成甲醇?提示通過化學反應將CO2與氫源(H2或H2O)在催化劑條件下合成甲醇。必備知識1.利用焓變和熵變判斷化學反應的方向 2.化工生產適宜條件選擇的一般原則(1)從化學反應速率角度分析既不能過快,又不能太慢。(2)從化學平衡移動角度分析既要注意外界條件對反應速率和化學平衡影響的一致性,又要注意二者影響的矛盾性?！疚⑺伎肌坑腥苏f壓強越大,反應速率越快,而且利用反應CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)合成甲醇轉化率

3、大,因此工業(yè)生產中常常使用高壓,對嗎?提示不對。盡管壓強大,對于CO2(g)+3H2(g) =CH3OH(g)+H2O(g)而言,既有利于加快速率,又有利于提高反應物轉化率,但考慮實際情況,壓強越大對設備要求越高,生產成本越高,因此工業(yè)上往往選擇合理的壓強。自我檢測判斷下列說法是否正確,正確的打“”,錯誤的打“”。(1)理論上說,甲醇與氧氣可設計成燃料電池。()(2)利用CO和H2合成甲醇,其物質的量之比是n(CO)n(H2)=12。()(3)利用天然氣合成甲醇的反應為CH4(g)+H2O(g) CH4O(g)+H2(g)。()(4)甲醇是21世紀具有競爭力的清潔燃料之一。()(5)H0,S0

4、的反應在低溫下可能自發(fā)進行。() 重難探究能力素養(yǎng)全提升探究一選擇合適的化學反應合成甲醇問題探究CO2的大量排放有什么危害?試設想如何將CO2變廢為寶?提示CO2產生“溫室效應”將導致南極、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?？梢酝ㄟ^化學反應,使CO2和氫氣(或水等)在催化劑作用下合成甲醇。歸納拓展熱力學角度分析合成甲醇反應能否進行從工業(yè)廢氣中合成甲醇,是近年來科學研究的熱點。甲醇是重要的化工原料。利用CO2和氫源(H2、H2O)在催化劑的作用下合成甲醇,可能發(fā)生的反應如下:CO2(g)+3H2(g) =CH3OH(g)+H2O(g)H1=-48.97 k

5、Jmol-1,S1=-177.16 Jmol-1K-1;CO2(g)+2H2O(g) =CH3OH(g)+ O2(g)H2=+676.48 kJmol-1,S2=-43.87 Jmol-1K-1CO2(g)+H2(g) =CO(g)+H2O(g)H3=+41.17 kJmol-1,S3=+42.08 J mol-1K-1。根據判據H-TS判斷反應低溫下能正向自發(fā)進行,反應任何情況下都不能自發(fā)進行,反應在高溫下能正向自發(fā)進行。應用體驗【典例1】在一定條件下,利用CO2合成CH3OH的反應為CO2(g)+3H2(g) =CH3OH(g)+H2O(g)H1,研究發(fā)現,反應過程中會發(fā)生副反應CO2(g

6、)+H2(g) =CO(g)+H2O(g)H2,溫度對CH3OH、CO的產率影響如圖所示。下列說法不正確的是()A.H10B.增大壓強有利于加快合成反應的速率C.生產過程中,溫度越高越有利于提高CH3OH的產率D.選用合適的催化劑可以減弱副反應的發(fā)生答案C解析根據圖像可以看出,溫度越高,CO的產率越高,CH3OH的產率越低,可知H10,A正確,C錯誤;對于氣體反應,增大壓強都能加快合成反應的速率,B正確;合適的負催化劑可以減弱副反應的發(fā)生,D正確。變式訓練1能源問題日益成為制約國際社會經濟發(fā)展的瓶頸。甲醇是一種可再生能源,具有廣泛的開發(fā)和應用前景,因此甲醇被稱為21世紀最具競爭力的新型清潔燃料

7、之一。工業(yè)上用CO生產燃料甲醇,一定條件下發(fā)生反應:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。如圖表示反應中能量的變化。請回答下列問題:(1)在圖中,曲線(填“a”或“b”)表示使用了催化劑;該反應屬于(填“吸熱”或“放熱”)反應。(2)科學家常用量熱劑來直接測定某一反應的反應熱,現測得:CH3OH(g)+ O2(g) =CO2(g)+2H2O(g)H=-676.48 kJmol-1,又知H2O(l) =H2O(g)H=+44 kJmol-1,請寫出32 g的CH3OH(g)完全燃燒生成CO2(g)和液態(tài)水的熱化學方程式:。答案(1)b放熱(2)CH3OH(g)+ O2(g) =CO2(g)

8、+2H2O(l)H=-764.48 kJmol-1解析(1)加入催化劑,可降低反應的活化能,由圖像可知曲線b的活化能較低,應加入催化劑;反應物的總能量大于反應產物的總能量,所以該反應屬于放熱反應。(2)CH3OH(g)+ O2(g) =CO2(g)+2H2O(g)H=-676.48 kJmol-1,H2O(l) =H2O(g)H=+44 kJmol-1,利用蓋斯定律將-2可得CH3OH(g)+ O2(g) =CO2(g)+2H2O(l)H=-676.48 kJmol-1-44 kJmol-12=-764.48 kJmol-1。探究二選擇適宜的反應條件問題探究選擇合成甲醇適宜的反應條件時,你會考

9、慮哪些影響因素?提示結合反應速率和化學平衡的影響因素,需要考慮溫度、濃度、壓強、催化劑對反應的影響?？傇瓌t既要考慮有較快的反應速率,又要盡可能提高產率。歸納拓展1.化工生產適宜條件選擇的一般原則 條件原則從化學反應速率分析既不能過快,又不能太慢從化學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,從而降低生產成本從實際生產能力分析如設備承受高溫、高壓能力等從催化劑的活性方面分析注意催化劑的活性對溫度的限制2.利用CO2和H2合成甲醇在實際化工生產中適宜條件的選擇主反應CO2(g)+3H2(g) =CH3

10、OH(g)+H2O(g)H1=-48.97 kJmol-1,副反應CO2(g)+H2(g) =CO(g)+H2O(g)H2=+41.17 kJmol-1。一般考慮以下因素:(1)反應物物質的量之比n(H2)n(CO2):增大比值,甲醇的產率增大。(2)改變溫度或壓強:同壓下,升高溫度平衡轉化率減小;同溫下,增大壓強平衡轉化率增大。(3)改變催化劑的組成:組成改變影響甲醇的平衡轉化率和選擇性。綜合理論和事實表明,較高的物質的量之比n(H2)n(CO2)、較高的總壓強、適宜的溫度和催化劑有利于甲醇的合成。3.項目成果展示(1)利用化學反應解決實際問題的一般思路。(2)目標化學反應設計過程及理論依據

11、。 應用體驗【典例2 】(1)已知反應CO(g)+2H2(g) CH3OH(g),在恒容密閉容器中按 加入CO和H2合成甲醇,測得起始壓強p0=102 kPa。CO的平衡轉化率(CO)隨溫度的變化曲線如圖所示,R點時反應的平衡常數Kp=(kPa)-2(用平衡分壓代替平衡濃度計算,p分=p總物質的量分數),R、S兩點平衡常數大小:Kp(R)(填“”“=”或“”或“Kp(S)。(2)從圖像來看,隨著溫度的升高,CO的轉化率變小,故H0,在一定條件下,向容積為1 L的密閉容器中充入1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g),測得H2O(g)和H2(g)的濃度隨時間變化曲線如圖所示,下列說法正

12、確的是()A.達到平衡時,CH4(g)的轉化率為75%B.010 min內,v(CO)=0.075 molL-1min-1C.該反應的化學平衡常數K=0.187 5 mol2L-2D.當CH4(g)的消耗速率與H2(g)的消耗速率相等時,反應到達平衡答案C 解析由題圖可知,10 min時反應到達平衡,平衡時水蒸氣和氫氣的濃度均為0.75 molL-1,則: CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)開始/(molL-1) 1 1 0 0轉化/(molL-1)0.25 0.25 0.25 0.75平衡/(molL-1)0.75 0.75 0.25 0.75C項正確;同一物質的消耗速率與

13、其生成速率相等時,反應到達平衡,由方程式可知當CH4(g)的消耗速率與H2(g)的消耗速率為13時,反應到達平衡,D項錯誤。3.T 時,在1 L的密閉容器中充入2 mol CO2和6 mol H2,一定條件下發(fā)生反應:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)H1=-49.1 kJmol-1,測得H2和CH3OH(g)的濃度隨時間變化如下表所示。下列說法不正確的是()A.t0t1時間內v(H2)= molL-1min-1B.t1時,若升高溫度或再充入CO2氣體,都可以提高H2的轉化率C.t0時,v(正)v(逆)D.T 時,題給反應的平衡常數K= mol-2L2,CO2與H2的轉

14、化率相等答案B 解析t0t1時間內v(H2)= molL-1min-1,A項正確;由題表中信息可知t1時該反應達到平衡狀態(tài),由于正反應是放熱反應,若t1時升高溫度,則平衡要向逆反應方向移動,H2的轉化率要減小,故B錯誤;t0時,反應向正反應方向進行,故v(正)v(逆),故C正確;t1時反應處于平衡狀態(tài),CO2、H2、CH3OH(g)、H2O(g)的平衡濃度分別為1 molL-1、3 molL-1、1 molL-1、1 molL-1,所以該反應的平衡常數K= mol-2L2,由于反應物的投料之比等于其化學式前的系數之比,所以達到平衡時CO2與H2的轉化率相等,均為50%,故D正確。4.在恒容密閉

15、容器中,由CO合成甲醇:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g),在其他條件不變的情況下研究溫度對反應的影響,實驗結果如圖所示,下列說法正確的是()B.該反應在T1時的平衡常數比T2時的小C.CO合成甲醇的反應為吸熱反應答案D 解析因題給反應的方程式中氫氣前的系數為2,則該反應的平衡常數的表達式為K= ,A錯誤;由圖像可知,反應從T2到T1時,甲醇的物質的量增大,根據平衡常數的計算式可知T1時的平衡常數比T2時的大,B錯誤;由圖像可知在T2溫度下反應先達到平衡,反應速率較T1快,則有T2T1,從圖像的縱坐標分析可得溫度降低,平衡向正反應方向移動,則正反應為放熱反應,C錯誤;處于A點的反應體系

16、從T1變到T2的過程中,平衡向逆反應方向移動,則c(H2)增大,而c(CH3OH)減小,達到平衡時 應該增大,D正確。5.煤化工是以煤為原料,經過化學加工使煤轉化為氣體、液體、固體燃料以及各種化工產品的工業(yè)過程。(1)將水蒸氣通過紅熱的炭即可產生水煤氣。反應的熱化學方程式為C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)H=+131.3 kJmol-1。一定溫度下,在一個容積可變的密閉容器中,發(fā)生上述反應,下列能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的是(填字母,下同)。a.容器中的壓強不變b.1 mol HH鍵斷裂的同時斷裂2 mol HO鍵c.v正(CO)=v逆(H2O)d.c(CO)=c(H2)(2)

17、將不同量的CO(g)和H2O(g)分別通入容積為2 L的恒容密閉容器中,進行反應CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g),得到如下三組數據:實驗1中以v(CO2)表示的反應速率為。 該反應的逆反應為(填“吸”或“放”)熱反應。 若實驗3要達到與實驗2相同的平衡狀態(tài)(即各物質的質量分數分別相等),且t1(或使用合適的催化劑)(3)cd解析 (1)對于容積可變的密閉容器,無論反應是否達平衡,壓強都不變,故a不符合題意;1 mol HH鍵斷裂表示v逆(H2),斷裂2 mol HO鍵表示v正(H2O),且正、逆反應速率相等,故b符合題意;c中正、逆反應速率相等,符合題意;根據反應方程式可知,

18、無論反應是否達平衡,都有c(CO)=c(H2),故d不符合題意。反應CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)為反應前后氣體物質的量不變的可逆反應,根據題表中數據可得,650 時,若在容器中加入1 mol H2O(g)和2 mol CO(g),則平衡時可得H2(g)0.8 mol;而900 時,在容器中加入1 mol H2O(g)和2 mol CO(g),平衡時可得H2(g)0.4 mol,說明升高溫度平衡逆向移動,則逆反應為吸熱反應。根據題意可知,等溫、等容條件下氣體物質的量不變的可逆反應建立等效平衡(壓強不影響該平衡移動),則ab=12,t1(或使用合適的催化劑)。(3)由題圖可知

19、,正反應為放熱反應,升高溫度,平衡左移,c(CH3OH)減小,故a錯誤;恒容條件下充入He(g),平衡不移動,c(CH3OH)不變,故b錯誤;將H2O(g)從體系中分離出來,平衡右移,c(CH3OH)增大,故c正確;再充入1 mol CO2和3 mol H2,增大反應物濃度,平衡右移,c(CH3OH)增大,故d正確。6.甲醇是重要的化工原料。利用合成氣(主要成分為CO、CO2和H2)在催化劑的作用下合成甲醇,可能發(fā)生的反應如下:.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)H1.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)H2.CH3OH(g) CO(g)+2H2(g)H3

20、回答下列問題:(1)已知反應中相關化學鍵鍵能數據如下:化學鍵HHC=OC OHOE/(kJmol-1)4368031 076465由此計算H2= kJmol-1。已知H3=+99 kJmol-1,則H1= kJmol-1。(2)一定比例的合成氣在裝有催化劑的反應器中反應12小時。體系中甲醇的產率和催化劑的催化活性與溫度的關系如圖1所示。溫度為470 K時,圖中P點(填“是”或“不是”)處于平衡狀態(tài)。在490 K之前,甲醇產率隨著溫度升高而增大的原因是;490 K之后,甲醇產率下降的原因是。一定能提高甲醇產率的措施是(填字母)。A.增大壓強B.升高溫度C.選擇合適催化劑D.加入大量催化劑(3)圖2為一定比例的CO2/H2、CO/H2、CO/CO2/H2條件下甲醇生成速率與溫度的關系。490 K時,根據曲線a、c判斷合成甲醇的反應機理是(填“”或“”)。490