高中鲁科版 (2019)第2章 化学反应的方向、 限度与速率微项目 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背景图课件ppt

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2．反应条件对化学平衡的影响若其他条件不变，改变下列条件对化学平衡的影响如下：
3.反应因素对化学反应速率的影响
【活动探究】1．分析判断利用CO2合成甲醇的两个反应能否正向自发进行，应选用哪个反应合成甲醇？2．在利用反应①合成甲醇时，可能会伴随如下副反应：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·ml－1　ΔS＝＋42.08 J·ml－1·K－1。判断此反应能否正向自发进行。
提示：反应①的ΔH＜0，ΔS＜0，因此在低温时ΔH－TΔS＜0，反应正向自发进行。反应②的ΔH＞0，ΔS＜0，因此在任何温度下ΔH－TΔS均不能为负值，反应正向不能自发进行。因此应选用反应①合成甲醇。
提示：由于此反应ΔH＞0，ΔS＞0，因此在高温时ΔH－TΔS＜0，反应正向自发进行。
[提升1]　我国科学家研制出CO2与H2合成甲醇的高效催化剂。下列有关说法错误的是(　　)A．有利于减排CO2B．反应生成甲醇和水C．有利于碳资源循环利用D．提高了甲醇的平衡转化率
解析：用CO2生产甲醇，有利于减排CO2，故A正确；根据质量守恒知反应生成甲醇和水，故B正确；CO2与H2合成甲醇，甲醇在燃烧后生成二氧化碳，所以有利于碳资源循环利用，故C正确；催化剂只能加快反应速率，对甲醇的平衡转化率没有影响，故D错误。
【关键能力】反应能否自发进行的判断方法(1)当ΔH<0，ΔS>0时，反应正向一定能自发进行。(2)当ΔH>0，ΔS<0时，反应正向一定不能自发进行。(3)当ΔH<0，ΔS<0时，在低温下反应正向能自发进行。(4)当ΔH>0，ΔS>0时，在高温下反应正向能自发进行。
目标二　选择适宜的反应条件通过上述的分析可知通过反应①利用二氧化碳和氢气合成甲醇，反应如下CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.97 kJ·ml－1。
【活动探究】3．利用所学知识分析如何提高反应的速率和甲醇的产率？
提示：提高CO2和H2的浓度、加压、升高温度，使用催化剂均可以加快反应的速率。从化学平衡角度提高CO2和H2的浓度、降低CH3OH和H2O的浓度、加压、降低温度均有利于化学平衡向右移动，能够提高甲醇的产率。
4．在一定条件下测得不同的H2和CO2投料比体系中甲醇的产率如下：不同n(H2)∶n(CO2)对反应的影响注：α为转化率，φ为产率，反应条件为温度553 K、总压2 MPa，无催化剂。从上述数据中你能得到什么结论？
提示：从上述表格中能够得到的结论是增大氢气的比例可以提高CO2的转化率和甲醇的产率。
5.下图分别是压强和温度对反应①中甲醇产率的影响。(1)在实际生产中是不是压强越大越好？
提示：不是。要考虑生产的实际，选择合适的压强，如动力和设备的承受力等方面。
(2)请分析甲醇的产率在温度为523 K时最高的原因。
提示：在523 K之前，随温度的升高反应速率加快，使甲醇产率增大；超过523 K时，甲醇的产率降低的原因可能是催化剂的活性降低、副反应的发生等。
6．下图是不同的催化剂组成对甲醇产率的影响和选择性的影响。催化剂组成改变对甲醇产率和选择性的影响注：反应条件为n(H2)∶n(CO2)＝3，温度553 K，总压4MPa；wt.%：重量百分含量；选择性：生成甲醇的二氧化碳在全部二氧化碳反应物中所占比例。
从表格中的数据能得出什么结论？
提示：改变催化剂的组成，可以有效地提高甲醇的产率和选择性。
[提升2]　(双选)在催化剂作用下，用乙醇制乙烯，乙醇转化率和乙烯选择性(生成乙烯的物质的量与乙醇转化的物质的量的比值)随温度、乙醇进料量(单位：mL·min－1)的关系如图所示(保持其他条件相同)。在410～440 ℃范围内，下列说法不正确的是(　　)A．当乙醇进料量一定时，随乙醇转化率增大，乙烯选择性升高B．当乙醇进料量一定时，随温度的升高，乙烯选择性不一定增大C．当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙醇转化率减小D．当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙烯选择性减小
解析：根据图像，当乙醇进料量一定时，随乙醇转化率增大，乙烯选择性逐渐升高，但达到一定温度后，乙烯选择性逐渐降低，故A项错误、B项正确；根据题中第一个图，当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙醇转化率减小，故C项正确；根据题中第二个图，当温度一定时，随乙醇进料量增大，乙烯选择性增大，故D项错误。
【关键能力】化工生产适宜条件选择的一般原则
1．(双选)以甲醇为原料在一定条件下合成乙烯，2CH3OH(g)⇌C2H4(g)＋2H2O(g)。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400 ℃左右
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2CH3OH(g)⇌C2H4(g)＋2H2O(g)，由图1知450 ℃时甲醇的反应率比400 ℃大，图2 450 ℃ C2H4(g)的产率低于400 ℃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；由图2知450 ℃左右制乙烯产率比较高，故D错误。
2．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、高压下可以使石墨转化为金刚石是自发的化学反应C．由能量判据和熵判据组合而成的复合判据适合于所有的反应D．反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在低温下能自发进行，说明该反应的ΔH>0
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，ΔH>0，该反应是非自发进行的化学反应，错误；C项，能量判据和熵判据组合而成的复合判据，只要ΔH－TΔS<0，反应就可以自发进行，若ΔH－TΔS>0，反应就不能自发进行，正确；D项，反应NH3(g)＋HCl(g)===NH4Cl(s)在低温下能自发进行，ΔH－TΔS<0，从化学方程式知TΔS<0，说明ΔH<0，错误。
3．(双选)采用CO与H2反应合成再生能源甲醇，反应如下：CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g)，在一容积可变的密闭容器中充有10 ml CO和20 ml H2，在催化剂作用下发生反应生成甲醇。CO的平衡转化率(α)与温度(T)、压强(p)的关系如图所示。则下列理解不符合题意的是(　　)A．B点的速率比C点的大B．A、B、C三点的平衡常数KA、KB、KC的大小关系为：KA＝KB>KCC．若达到平衡状态A时，容器的体积为10 L，则在平衡状态B时容器的体积为2 LD．合成甲醇的反应为吸热反应
4．在一定条件下探究二甲醚的制备反应为2CO(g)＋4H2(g)⇌CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH，测定结果如图所示。下列判断错误的是(　　)A．该反应的ΔH<0B．该反应伴随着副反应的发生C．工业选择的较适宜温度为280～290 ℃D．加入催化剂可以提高CH3OCH3的产率
解析：由题图知，随着温度升高，CO的转化率降低，所以升高温度，平衡逆向移动，则该反应是放热反应，ΔH<0，A项正确；从图中可知，CO的转化率降低的同时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别大，即说明该反应伴随着副反应的发生，B项正确；在280～290 ℃间，CH3OCH3的产率很高，工业选择的较适宜温度为280～290 ℃，C项正确；加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间，但不能提高CH3OCH3的产率，D项错误。
5．甲醇合成反应为CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g)工业上用天然气为原料，分为两阶段制备甲醇：(1)制备合成气：CH4＋H2O(g)⇌CO＋3H2。为解决合成气中H2过量而CO不足的问题，原料气中需添加CO2：CO2＋H2⇌CO＋H2O。为了使合成气配比最佳，理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为________。
解析：(1)①CH4＋H2O(g)⇌CO＋3H2，②CO2＋H2⇌CO＋H2O，③CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g)，则①×3＋③＋③×4得3CH4＋CO2＋2H2O⇌4CH3OH，所以为了使合成气配比最佳，理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为3∶1；
CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g)　ΔH＝－(b－a) kJ·ml－1
解析：①由图可知合成甲醇的反应热ΔH＝(a－b) kJ·ml－1，则热化学反应方程式为CO(g)＋2H2(g)⇌CH3OH(g)　ΔH＝－(b－a) kJ·ml－1；
0.080 ml·L－1·min－1