2021学年第2章 化学反应的方向、 限度与速率第1节 化学反应的方向学案及答案

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

项目活动·学科探究

项目活动1 选择合适的化学反应

微知识

1.选择二氧化碳合成甲醇的原因

（1）目前有机原料按消费量排序，前4位是乙烯、丙烯、苯、①     甲醇     。

（2）现在合成甲醇的原料

大多数国家以②     天然气     为主要原料，我国则是以③     煤和重渣油     为主要原料。

（3）选择 作碳源合成甲醇的原因

.工业废气中含大量 ，排放到空气中会带来环境问题；

b.天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少；

.用 合成甲醇符合绿色化学要求。

2.设计适于工业生产的化学反应考虑的角度

（1）反应在指定条件下能否④     正向自发进行     ；

（2）考虑原料的⑤     来源     等。

微探究

1. 的大量排放有什么危害？试设想如何将 变废为宝？

答案：提示  大量排放加剧“温室效应”将导致南极、北极冰雪融化，海平面上升，病虫害增加，气候反常等，从而使人类生存环境恶化。可以通过化学反应，使 和氢气（或水等）在催化剂作用下合成甲醇。

2.已知二氧化碳合成甲醇可能用到以下反应：

①

②

（1）请根据焓变和熵变判断上述2个反应是否能正向自发进行？应该选择哪个反应？

（2）判断反应①的正向自发进行的最高温度为多少？

答案：（1）提示 反应①属于放热的熵减小反应，低温时反应正向自发进行。反应②属于吸热的熵减小反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。所以应该选择反应①。

（2） 。 反应才能自发进行，因此有 ，解得 。因此反应①在温度低于 时正向自发进行。

3.利用氢气和二氧化碳制取甲醇时，还可能发生反应： 。请判断此反应是否能正向自发进行？

答案：提示  该反应属于吸热的熵增加的反应，在高温下能正向自发进行。

微点拨

1.化学反应方向的判断

（1）焓变、熵变对反应方向的影响

.反应焓变与反应方向的关系：大部分 的反应自发进行；

.反应熵变与反应方向的关系：大部分 的反应自发进行；

.在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向 的方向进行，直至达到平衡状态。

（2）判断依据

2.设计化学反应来解决实际问题的一般思路

（1）在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或试制新的化学品。这时，首先需要判断所设计反应是否可行，即判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。

（2）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采取具体措施，如选用催化剂等。

微训练

1.（2021宁夏银川高二月考）用钌的配合物作催化剂，一定条件下可直接光催化分解 发生反应： 。下列有关焓变与熵变说法不正确的是(     )

A.该反应的

B.该反应的

C.该反应的逆反应在一定条件下也能自发进行

D.该反应的熵变效应大于焓变效应

答案：

解析：题给反应的正反应是气体体积增大的反应，也就是熵增加的反应，A正确。题给反应是分解反应，且该反应的逆反应是 的燃烧，是放热反应，所以该反应是吸热反应，B错误。虽然题给反应的逆反应是熵减小的反应，但反应放热，一定条件下可以自发进行，C正确。题给反应的 ，能自发进行说明熵变的影响大于焓变，D正确。

2.（2021河南濮阳联考）下列说法不正确的是(     )

A. 与 的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行

B.某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应

C. 在室温下就能自发分解，说明该反应的

D. 常温下能自发进行，说明该反应的

答案：

解析： 为 的反应。

项目活动2 选择适宜的反应条件

微知识

1.化学反应适宜条件选择的原则

（1）综合原则

一般①     从化学平衡和化学反应速率     、②     主反应和副反应     等多个方面综合考虑，并根据有关理论和实验数据对所选择的条件进行论证。

例如：

（2）催化剂

寻找催化效率高、⑧     选择性高     的催化剂，有效缩短到达平衡的时间，在尽可能短的时间内获得尽量多的产物。

（3）其他条件

工业生产中，还要考虑⑨     成本、工艺、安全性     等方面因素。

2.外界条件对化学平衡的影响

3.外界因素对化学反应速率的影响

微探究

1.二氧化碳合成甲醇反应时，一定条件下，不同 对反应的影响如下表，分析表中数据，实际生产中是不是 数值越大越好？[ 表示 的转化率， 表示 的产率]

答案：提示  不是。由题表中数据可知， 数值增大， 转化率变化不明显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇时并不是 的比值越大越好。

2.二氧化碳合成甲醇反应时，不同压强对反应的影响如下图[ ， ，催化剂为 纳米纤维]，分析图中数据，实际生产中是不是压强越大越好？[ 表示甲醇的产率]

答案：提示  不是。分析题图中数据可知，压强越大，甲醇的产率越大，但从设备成本看，压强越大生产成本越高。

3.二氧化碳合成甲醇反应时，不同温度对反应的影响如下图[总压 ， ，催化剂为 纳米纤维]，为什么温度高时甲醇的产率 反而降低？

答案：提示  合成甲醇的反应是放热反应，平衡后温度升高平衡向逆反应方向移动，甲醇产率降低。

4.综合以上分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？

答案：提示  选择合适的 、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。

5.从工业生产流程考虑还有哪些措施可提高甲醇的产率？

答案：提示  配置二氧化碳富集装置、甲醇—水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。

微点拨

化工生产适宜条件选择的一般原则：

微训练

1.低温脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物，发生的化学反应为 。在恒容的密闭容器中，下列有关说法正确的是(     )

A.平衡时，其他条件不变，升高温度可使该反应的平衡常数增大

B.平衡时，其他条件不变，增加 的浓度，废气中氮氧化物的转化率减小

C.单位时间内消耗 和 的物质的量之比为1:2时，反应达到平衡

D.其他条件不变，使用高效催化剂，废气中氮氧化物的转化率增大

答案：

解析：由于题给反应为放热反应，升高温度时，平衡向逆反应方向移动，该反应的平衡常数减小，A错误；增大一种反应物的浓度，自身的转化率降低，而其他反应物的转化率增大，B错误；单位时间内消耗 和 的物质的量之比为1:2时，说明 ，反应达到平衡，C正确；催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，即不能改变转化率，D错误。

2.有平衡体系： ，为了增加甲醇 的产量，应采用的正确措施是(     )

A.高温、高压B.适宜温度、高压、催化剂

C.低温、低压D.高温、高压、催化剂

答案：

解析：此反应为放热反应，高温使平衡逆向移动，甲醇的产率减小，故A、D错误；适宜的温度和催化剂，有利于反应速率增大，题给反应的正反应为体积减小的反应，故高压使平衡正向移动，故B正确；低压下，平衡向逆反应方向移动，不利于甲醇的产出，故C错误。

评价检测·素养提升

1.下列对化学反应预测正确的是(     )

A. B. C. D.

答案：

解析：A项， ，高温下题给反应能自发进行；C项，题给反应 ，若使 ， 可能大于0也可能小于0；D项，题给反应 ，若常温下自发进行，则 才能使 。

2.（2021山东潍坊高二月考）下列有关化学反应方向及其判据的说法中正确的是(     )

A.非自发反应就是不可能发生的反应，自发反应就是能较快进行的反应

B.高温、高压下石墨转化为金刚石是自发的化学反应

C.由焓判据和熵判据组合而成的复合判据适合于所有的化学反应

D.反应 在低温下能自发进行，说明该反应的

答案：

解析：A项，非自发反应在一定条件下也能发生，自发反应进行的也不一定较快，错误；B项，石墨转化为金刚石， ，该反应是非自发进行的化学反应，错误；C项，焓判据和熵判据组合而成的复合判据，只要 ，反应就可以自发进行，若 ，反应就不能自发进行，正确；D项，反应 在低温下能自发进行， ，从化学方程式知 ，说明 ，错误。

3.以甲醇为原料在一定条件下合成乙烯， 。某研究小组将甲醇蒸气以一定的流速持续通过相同量的同种催化剂，不同温度得到如下图像，则下列结论不正确的是(     )

A.一段时间后甲醇反应率下降可能是催化剂活性下降

B.综合图1、图2可知，甲醇还发生了其他反应

C.若改变甲醇蒸气的流速，不会影响甲醇反应率和乙烯产率

D.制乙烯比较适宜的温度是 左右

答案：

解析：催化剂活性是受温度影响的，温度太高，催化剂会失去活性，故A正确；根据 ，由题图1知 时甲醇的反应速率比 快，由图2知 时 的产率低于 的产率，所以有其他反应发生，故B正确；若改变甲醇蒸气的流速，甲醇反应率和乙烯产率都将改变，故C错误；由题图2知 左右制乙烯产率比较高，故D正确。

4.一定条件下合成乙烯： 。已知温度对 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. 点的正反应速率 （正）大于 点的逆反应速率

B.若投料比 ，则图中 点对应乙烯的体积分数为

C. ，催化剂对 平衡转化率的影响最大

D.当温度高于 ，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低

答案：

解析：化学反应速率随温度的升高而加快，由题图可知，当温度高于 时，催化剂的催化效率随温度的升高而降低，所以 点的正反应速率 （正）有可能小于 点的逆反应速率 （逆），A错误；设开始投料时 为 ，则 为 ，在 点对应的平衡体系中二氧化碳的转化率为 ，列“三段式”得：

所以乙烯的体积分数为 ，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；根据题图可知，当温度高于 时，升高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。

5.利用 和 可以合成甲醇，反应原理为 。一定条件下，在容积为 的密闭容器中充入 与 合成甲醇， 的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。

（1） （填“＞”“＜”或“=”） ，理由是  。

（2）该甲醇合成反应在 点的平衡常数 （用 和 表示）。

（3）该反应达到平衡时，反应物的转化率： （填“＞”“＜”或“=”） 。

（4）下列措施中能够同时满足增大反应速率和提高 转化率的是  （填字母）。

A.使用高效催化剂 B.降低反应温度 C.增大体系压强

D.不断将 从反应混合物中分离出来 E.加入等物质的量的 和

答案：（1）＜; 甲醇的合成反应是气体分子数减少的反应，相同温度下，增大压强， 的平衡转化率提高

（2）  （3）= （4）

解析：（1）由题图可知，相同温度下， 压强下 的平衡转化率大于 压强下 的平衡转化率，正反应是气体体积减小的反应，压强增大，平衡向正反应方向移动，所以 。

（2）向 恒容密闭容器中充入 与 ， 点时 的平衡转化率为 ，故 的变化量为 ，则根据 ， 的变化量为 ， 的变化量为 ，平衡时 的浓度为 、 的浓度为 、 的浓度为 ，平衡常数 ，解得 。（3） 和 的初始加入量之比为1:2，等于其化学计量数之比，故 和 的转化率相等。（4）使用高效催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡，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，平衡向正反应方向移动， 的转化率增大，故C正确；不断将 从反应混合物中分离出来，降低浓度，反应速率减慢，故D错误；加入等物质的量的 和 ，反应速率增大，但 的转化率降低，故 错误。

6.在 （乙烯）与 （乙酸）的物料比为1:1的条件下，某研究小组在不同压强下进行了在相同时间点乙酸乙酯的产率随温度的变化的测定实验，实验结果如图所示。

回答下列问题：

（1）温度在 范围内，乙烯与乙酸合成乙酸乙酯的反应速率的大小顺序是  [用 分别表示不同压强下的反应速率]。

（2） 三点乙烯的转化率的大小顺序是  。

（3）在 时，乙酸乙酯的产率先升高后降低的原因是  ，根据测定的实验结果分析，较适宜的生产条件是  （填合适的压强和温度）。

答案：（1）  （2）  （3） 反应从正反应方向开始，未达平衡，温度高反应速率大，乙酸乙酯产率高; 时反应已达平衡且正反应放热，故压强不变，升高温度平衡逆向移动，乙酸乙酯产率下降 和

解析：（1）增大压强，平衡向正反应方向移动，乙酸乙酯的产率增大，故 ，增大压强，反应速率加快，故 。（2）由题图可以看出 三点乙烯的转化率依次增大，即 。（3）反应从正反应方向开始，升高温度，反应先建立平衡，后平衡移动。 反应未达平衡，温度高反应速率大，乙酸乙酯产率高； 时反应已达平衡且正反应放热，故压强不变，升高温度平衡逆向移动，乙酸乙酯产率下降。由题图可知， 时，乙酸乙酯的产率最高，为较适宜的生产条件。