2024-2025學(xué)年新教材高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率微項(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)化學(xué)案魯科版選擇性必修1

PAGEPAGE7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)學(xué)問(wèn)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(shù)立綠色化學(xué)理念，相識(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。[必備學(xué)問(wèn)]1．目前有機(jī)原料按消費(fèi)量排序，前4位從大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。2．合成甲醇的原料eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(大多數(shù)國(guó)家用CH4,我國(guó)用煤和重渣油))3．選擇CO2作碳源合成甲醇的緣由(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)自然氣、煤、石油屬于不行再生資源，日漸削減；(3)用CO2合成甲醇符合綠色化學(xué)要求。項(xiàng)目活動(dòng)1選擇合適的化學(xué)反應(yīng)假設(shè)反應(yīng)焓變和熵變不隨溫度的變更而變更，已知298K，100kPa時(shí)，有如下反應(yīng)：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．請(qǐng)依據(jù)焓變和熵變復(fù)合判據(jù)推斷上述三個(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)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)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)。項(xiàng)目活動(dòng)2選擇相宜的反應(yīng)條件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)自發(fā)進(jìn)行，Δvg＜0，加壓有利于合成甲醇。據(jù)此可知，合成甲醇應(yīng)選擇什么條件？提示：需在低溫、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、運(yùn)用催化劑均可加快反應(yīng)速率。沖突之處——發(fā)覺(jué)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；運(yùn)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相宜條件時(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)化率變更不明顯，為避開(kāi)造成大量氫氣奢侈，合成甲醇時(shí)并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好。(2)變更壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)的影響不同總壓對(duì)甲醇產(chǎn)率的影響523K，n(H2)∶n(CO)2＝3∶1，催化劑為Cu/Zn/Al/Zr納米纖維從圖中數(shù)據(jù)變更可看出，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)的影響不同溫度對(duì)甲醇產(chǎn)率的影響總壓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。[思索]1．從以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的相宜條件應(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)、相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—水分別裝置以及副產(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，我們經(jīng)常須要設(shè)計(jì)新的反應(yīng)路途或設(shè)計(jì)試制新的化學(xué)品。這時(shí)，首先須要推斷所設(shè)計(jì)反應(yīng)是否可行，即推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)題并實(shí)行詳細(xì)措施，如選用催化劑等。1．肯定條件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g)CH2=CH2(g)＋4H2O(g)。已知溫度對(duì)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和催化劑催化效率的影響如圖。下列說(shuō)法正確的是()A．M點(diǎn)的正反應(yīng)速率v(正)大于N點(diǎn)的逆反應(yīng)速率v(逆)B．若投料比n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，則圖中M點(diǎn)對(duì)應(yīng)乙烯的體積分?jǐn)?shù)為5.88%C．250℃，催化劑對(duì)CO2D．當(dāng)溫度高于250℃B[化學(xué)反應(yīng)速率隨溫度的上升而加快，由題圖可知，當(dāng)溫度高于250℃時(shí)，催化劑的催化效率隨溫度的上升而降低，所以M點(diǎn)的正反應(yīng)速率v(正)有可能小于N點(diǎn)的逆反應(yīng)速率v(逆)，A錯(cuò)誤；設(shè)起先投料時(shí)n(H2)為4mol，則n(CO2)為1mol，在M6H2(g)＋2CO2(g)CH2=CH2(g)＋4H2O(g)起先物質(zhì)的量/mol4100轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量/mol1.50.50.251平衡物質(zhì)的量/mol2.50.50.251所以乙烯的體積分?jǐn)?shù)為eq\f(0.25,2.5＋0.5＋0.25＋1)×100%≈5.88%，B正確；催化劑不影響平衡轉(zhuǎn)化率，只影響化學(xué)反應(yīng)速率，C錯(cuò)誤；依據(jù)題圖可知，當(dāng)溫度高于250℃時(shí)，上升溫度二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率降低，則說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，但催化劑的催化效率與化學(xué)平衡沒(méi)有關(guān)系，并不是平衡逆向移動(dòng)導(dǎo)致催化劑的催化效率降低，D錯(cuò)誤。]2．利用CO和H2可以合成甲醇，反應(yīng)原理為CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。肯定條件下，在容積為VL的密閉容器中充入amolCO與2amolH2合成甲醇，CO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。(1)p1________p2(填“＞”“＜”或“＝”)，理由是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)該甲醇合成反應(yīng)在A點(diǎn)的平衡常數(shù)K＝________________________(用a和V表示)。(3)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率：CO________H2(填“＞”“＜”或“＝”)。(4)下列措施中能夠同時(shí)滿意增大反應(yīng)速率和提高CO轉(zhuǎn)化率的是________(填字母)。A．運(yùn)用高效催化劑B．降低反應(yīng)溫度C．增大體系壓強(qiáng)D．不斷將CH3OH從反應(yīng)混合物中分別出來(lái)E．加入等物質(zhì)的量的CO和H2[解析](1)由圖像可知，相同溫度下，p2壓強(qiáng)下CO的平衡轉(zhuǎn)化率大于p1壓強(qiáng)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(qiáng)增大，平衡正向移動(dòng)，所以p1＜p2。(2)向VL恒容密閉容器中充入amolCO與2amolH2，A點(diǎn)時(shí)CO的平衡轉(zhuǎn)化率為75%，故CO的變更量為0.75amol，則依據(jù)CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)，H2的變更量為0.75amol×2＝1.5amol，CH3OH的變更量為0.75amol，平衡時(shí)CO的濃度為eq\f(0.25a,V)mol·L－1、H2的濃度為eq\f(0.5a,V)mol·L－1、CH3OH的濃度為eq\f(0.75a,V)mol·L－1，平衡常數(shù)K＝eq\f(c平CH3OH,c平CO·c\o\al(2,平)H2)，代入數(shù)據(jù)得K＝eq\f(12V2,a2)(mol·L－1)－2。(3)CO和H2的初始加入量之比為1∶2，等于其系數(shù)之比，故CO和H2的轉(zhuǎn)化率相等。(4)運(yùn)用高效催化劑可以加快反應(yīng)速率，但不影響平衡的移動(dòng)，故A錯(cuò)誤；降低反應(yīng)溫度，反應(yīng)速率減慢，故B錯(cuò)誤；增大體系壓強(qiáng)，反應(yīng)速率加快，平衡正向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率增大，故C正確；不斷將CH3OH從反應(yīng)混合物中分別出來(lái)，降低濃度，反應(yīng)速率減慢，故D錯(cuò)誤；加入等物質(zhì)的量的CO和H2，反應(yīng)速率增大，但CO的轉(zhuǎn)化率降低，故E錯(cuò)誤。[答案](1)＜甲醇的合成反應(yīng)是氣體分子數(shù)削減的反應(yīng)，相同溫度下，增大壓強(qiáng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率提高(2)eq\f(12V2,a2)(mol·L－1)－2(3)＝(4)C一、化學(xué)反應(yīng)的方向[答案]①能②不能③<④＝⑤>二、化學(xué)反應(yīng)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溫度③eq\f(Δn平A,n始A)×100%④吸熱⑤放熱⑥正向⑦逆向⑧減?、嵩龃笕?、化學(xué)反應(yīng)的速率[答案]①eq\f(|ΔcA|,Δt)②mol·L－1·s－1或mol·L－1·min－1③反應(yīng)物本身的性質(zhì)④增大四、化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨eq\a\vs4\al(理論應(yīng)用,——合成,氨工業(yè)的,相宜條件)eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al(合成氨的化學(xué)平衡分,析，有利于提高轉(zhuǎn)化率)\b\lc\{\rc\