高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1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说课ppt课件

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工业上如何将CO2合成甲醇?  
提示:通过化学反应将CO2与氢源(H2或H2O)在催化剂条件下合成甲醇。
1.利用焓变和熵变判断化学反应的方向
2.化工生产适宜条件选择的一般原则(1)从化学反应速率角度分析既不能过快,又不能太慢。(2)从化学平衡移动角度分析既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性。【微思考】有人说压强越大,反应速率越快,而且利用反应CO2(g)+3H2(g) === CH3OH(g)+H2O(g)合成甲醇转化率大,因此工业生产中常常使用高压,对吗?  
提示:不对。尽管压强大,对于CO2(g)+3H2(g) === CH3OH(g)+H2O(g)而言,既有利于加快速率,又有利于提高反应物转化率,但考虑实际情况,压强越大对设备要求越高,生产成本越高,因此工业上往往选择合理的压强。
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)理论上说,甲醇与氧气可设计成燃料电池。(　　)(2)利用CO和H2合成甲醇,其物质的量之比是n(CO)∶n(H2)= 1∶2。(　　)(3)利用天然气合成甲醇的反应为CH4(g)+H2O(g) CH4O(g)+H2(g)。(　　)(4)甲醇是21世纪具有竞争力的清洁燃料之一。(　　)(5)ΔH<0,ΔS<0的反应在低温下可能自发进行。(　　)
选择合适的化学反应合成甲醇问题探究CO2的大量排放有什么危害?试设想如何将CO2变废为宝?   
提示:CO2产生“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CO2和氢气(或水等)在催化剂作用下合成甲醇。
深化拓展热力学角度分析合成甲醇反应能否进行从工业废气中合成甲醇,是近年来科学研究的热点。甲醇是重要的化工原料。利用CO2和氢源(H2、H2O)在催化剂的作用下合成甲醇,可能发生的反应如下:
根据判据ΔH-TΔS判断反应①低温下能正向自发进行,反应②任何情况下都不能自发进行,反应③在高温下能正向自发进行。
素能应用典例1(2019山东青岛二中月考)在一定条件下,利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g) === CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1,研究发现,反应过程中会发生副反应为CO2(g)+H2(g) === CO(g)+H2O(g)　ΔH2,温度对CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.ΔH1<0,ΔH2>0B.增大压强有利于加快合成反应的速率C.生产过程中,温度越高越有利于提高CH3OH的产率D.选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生
答案:C　解析:根据图像可以看出,温度越高,CO的产率越高,CH3OH的产率越低,可知ΔH1<0,ΔH2>0,A正确,C错误;对于气体反应,增大压强都能加快合成反应的速率,B正确;合适的负催化剂可以减弱副反应的发生,D正确。
变式训练1能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。甲醇是一种可再生能源,具有广泛的开发和应用前景,因此甲醇被称为21世纪最具竞争力的新型清洁燃料之一。工业上用CO生产燃料甲醇,一定条件下发生反应:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。如图表示反应中能量的变化。
请回答下列问题:(1)在图中,曲线　　　　　(填“a”或“b”)表示使用了催化剂;该反应属于　　　　　(填“吸热”或“放热”)反应。 (2)科学家常用量热剂来直接测定某一反应的反应热,现测得:CH3OH(g)+ O2(g) === CO2(g)+2H2O(g)ΔH=-192.9 kJ·ml-1,又知H2O(l) === H2O(g)　ΔH=+44 kJ·ml-1,请写出32 g的CH3OH(g)完全燃烧生成CO2(g)和液态水的热化学方程式:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
答案:(1)b　放热
解析:(1)加入催化剂,可降低反应的活化能,由图像可知曲线b的活化能较低,应加入催化剂;反应物的总能量大于生成物的总能量,所以该反应属于放热反应。
选择适宜的反应条件问题探究选择合成甲醇适宜的反应条件时,你会考虑哪些影响因素?     
提示:结合反应速率和化学平衡的影响因素,需要考虑温度、浓度、压强、催化剂对反应的影响。总原则既要考虑有较快的反应速率,又要尽可能提高产率。
深化拓展1.化工生产适宜条件选择的一般原则
2.利用CO2和H2合成甲醇在实际化工生产中适宜条件的选择主反应CO2(g)+3H2(g) === CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-48.97 kJ·ml-1副反应CO2(g)+H2(g) === CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.17 kJ·ml-1。一般考虑以下因素:(1)反应物物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]:增大比值,甲醇的产率增大。(2)改变温度或压强:①同压下,升高温度平衡转化率减小;②同温下,增大压强平衡转化率增大。(3)改变催化剂的组成:组成改变影响甲醇的平衡转化率和选择性。综合理论和事实表明,较高的物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于甲醇的合成。
3.项目成果展示(1)利用化学反应解决实际问题的一般思路。
(2)目标化学反应设计过程及理论依据。
素能应用典例2(1)已知反应CO(g)+2H2(g) CH3OH(g),在恒容密闭容器中按 加入CO和H2合成甲醇,测得起始压强p0=102 kPa。CO的平衡转化率[α(CO)]随温度的变化曲线如图所示,R点时反应的平衡常数Kp=　　(kPa)-2(用平衡分压代替平衡浓度计算,p分=p总×物质的量分数),R、S两点平衡常数大小:Kp(R)　　　(填“>”“=”或“<”)Kp(S)。 
(2)CO可用于合成甲醇,反应的化学方程式为CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)。CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。该反应的ΔH　　　　　0(填“>”或“<”)。实际生产条件控制在250 ℃、1.3×104 kPa左右,选择此压强的理由是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
答案:(1)　 >　(2)<　在1.3×104 kPa时,CO的转化率已较高,再增大压强CO转化率提高不大,同时生产成本增加,得不偿失
解析:(1)R点时CO的平衡转化率为0.50,设起始加入的CO为x ml,根据“三段式”分析:
(2)从图像来看,随着温度的升高,CO的转化率变小,故ΔH<0。综合温度、压强对CO转化率的影响来看,在1.3×104 kPa时,CO的转化率已经很大,不必再增大压强。
变式训练2化学反应原理在科研和生产中有广泛应用。一定温度下,向容积为2 L的恒容密闭容器中充入6 ml CO2和8 ml H2,发生反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-48.97 kJ·ml-1,测得n(H2)随时间的变化如曲线Ⅰ所示。下列说法正确的是 (　　)
A.该反应在0~8 min内CO2的平均反应速率是0.375 ml·L-1·min-1B.保持温度不变,若起始时向上述容器中充入4 ml CO2、2 ml H2、2 ml CH3OH(g)和1 ml H2O(g),则此时反应向正反应方向进行C.保持温度不变,若起始时向上述容器中充入3 ml CO2和4 ml H2,则平衡时H2的体积分数等于20%D.改变条件得到曲线Ⅱ、Ⅲ,则曲线Ⅱ、Ⅲ改变的条件分别是升高温度、充入氦气
答案:B　解析:由图中曲线Ⅰ可知,该反应在0~8 min内H2的变化量为6 ml,则CO2的变化量为2 ml,该反应在0~8 min内CO2的平均反应速率是 =0.125 ml·L-1·min-1,A项错误;由图中曲线Ⅰ可知,该反应在8 min时达到平衡,平衡混合物中有4 ml CO2、2 ml H2、2 ml CH3OH(g)和2 ml H2O(g),保持温度不变,若起始时向容器中充入4 ml CO2、2 ml H2、2 ml CH3OH(g)和1 ml H2O(g),相当于在原平衡状态的基础上减少1 ml H2O(g),则此时反应向正反应方向进行,B项正确;原平衡混合物中H2的体积分数等于20%,保持温度不变,若起始时向上述容器中充入3 ml CO2和4 ml H2,相当于对原平衡减压,平衡逆向移动,则平衡时H2的体积分数大于20%,C项错误;该反应为放热反应,由图像可知,改变条件后,化学反应速率都加快,但是Ⅱ的平衡向左移动、Ⅲ的平衡向右移动,所以曲线Ⅱ改变的条件是升高温度,曲线Ⅲ改变的条件是增大压强,D项错误。
1.一定温度下,在三个体积均为1.0 L的恒容密闭容器中发生反应:2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)。
下列说法正确的是(　　)A.该反应的正反应为吸热反应B.达到平衡时,容器Ⅰ中的CH3OH体积分数比容器Ⅱ中的小C.容器Ⅰ中反应到达平衡所需时间比容器Ⅲ中的长D.若起始时向容器Ⅰ中充入CH3OH 0.15 ml、CH3OCH3 0.15 ml和H2O 0.10 ml,则反应将向正反应方向进行
答案:D　解析:由题给表格中的Ⅰ、Ⅲ数据可知,温度越低,生成物的量越多,说明升高温度平衡逆向移动,则此反应的正反应为放热反应,A选项错误;题给反应是一个反应前后气体分子数不变的反应,达到平衡后,容器Ⅰ和Ⅱ中甲醇的体积分数相同,B选项错误;容器Ⅰ中温度高,反应速率快,达到平衡所需的时间短,C选项错误;根据387 ℃时,
2.工业上制备合成气的工艺主要是水蒸气重整甲烷:CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)　ΔH>0,在一定条件下,向体积为1 L的密闭容器中充入1 ml CH4(g)和1 ml H2O(g),测得H2O(g)和H2(g)的浓度随时间变化曲线如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.达到平衡时,CH4(g)的转化率为75%B.0~10 min内,v(CO)=0.075 ml·L-1·min-1C.该反应的化学平衡常数K=0.187 5 ml2·L-2D.当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率相等时,反应到达平衡
解析:由图可知,10 min时反应到达平衡,平衡时水蒸气和氢气的浓度均为0.75 ml·L-1,则:
确;同一物质的消耗速率与其生成速率相等时,反应到达平衡,由方程式可知当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率为1∶3时,反应到达平衡,D项错误。
3.T ℃时,在1 L的密闭容器中充入2 ml CO2和6 ml H2,一定条件下发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-49.1 kJ·ml-1,测得H2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如下表所示。下列说法不正确的是(　　)
答案:B　解析:t0~t1时间内v(H2)= ml·L-1·min-1,A项正确;由表中信息可知t1时该反应达到平衡状态,由于正反应是放热的反应,若t1时升高温度,则平衡要向逆方向移动,H2的转化率要减小,故B错误;t0时,反应向正反应方向进行,故v(正)>v(逆),故C正确;D项,t1时反应处于平衡状态,CO2、H2、CH3OH(g)、H2O(g)的平衡浓度分别为1 ml·L-1、3 ml·L-1、1 ml·L-1、1 ml·L-1,所以该反应的平衡常数K= ,由于反应物的投料之比等于其化学式前的系数之比,所以达到平衡时CO2与H2的转化率相等,均为50%,故D正确。
4.(2020·福建师大附中月考)在恒容密闭容器中,由CO合成甲醇:CO(g)+2H2(g) CH3OH(g),在其他条件不变的情况下研究温度对反应的影响,实验结果如图所示,下列说法正确的是(　　)
5.甲醇既是重要的化工原料,又可作为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇。发生的主要反应如下:
回答下列问题:(1)反应①的化学平衡常数K的表达式为　　　　　　　　　　;图1中能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线为　　　　　　　　　　　(填曲线标记字母),其判断理由是　　　　　　　　　　　　　。 
(2)合成气组成 =2.60时,体系中的CO平衡转化率(α)与温度和压强的关系如图2所示。α(CO)值随温度升高而　　　　　(填“增大”或“减小”),其原因是　　　　　　　　　;图2中的压强由大到小为　　　　　,其判断理由是　　　　　　　　　。 
a　反应①为放热反应,平衡常数应随温度升高变小(2)减小　升高温度时,反应①为放热反应,平衡向左移动,使得体系中CO的量增大;反应③为吸热反应,平衡向右移动,又使产生CO的量增大;总结果,随温度升高,使CO的转化率降低p3>p2>p1　相同温度下,由于反应①为气体分子数减小的反应,加压有利于提升CO的转化率;而反应③为气体分子数不变的反应,产生CO的量不受压强影响。故增大压强时,有利于CO的转化率升高
(2)由图2可知,压强一定时,CO的平衡转化率随温度的升高而减小,其原因是反应①为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,反应③为吸热反应,温度升高,平衡正向移动,又使产生CO的量增大,而总结果是随温度升高,CO的转化率减小。反应①的正反应为气体总分子数减小的反应,温度一定时,增大压强,平衡正向移动,CO的平衡转化率增大,而反应③为气体总分子数不变的反应,产生CO的量不受压强的影响,因此增大压强时,CO的转化率提高,故压强p1、p2、p3的关系为p16.甲醇是重要的化工原料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂的作用下合成甲醇,可能发生的反应如下:回答下列问题:(1)已知反应ⅱ中相关化学键键能数据如下:由此计算ΔH2=　　　　 kJ·ml-1。已知ΔH3=+99 kJ·ml-1,则ΔH1=　　　　 kJ·ml-1。 
(2)一定比例的合成气在装有催化剂的反应器中反应12小时。体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图1所示。
①温度为470 K时,图中P点　　　　　(填“是”或“不是”)处于平衡状态。在490 K之前,甲醇产率随着温度升高而增大的原因是　　　　　　;490 K之后,甲醇产率下降的原因是　　　　　　　　　　　　。 
②一定能提高甲醇产率的措施是　　　　　。 A.增大压强B.升高温度C.选择合适催化剂D.加入大量催化剂
(3)图2为一定比例的CO2/H2、CO/H2、CO/CO2/H2条件下甲醇生成速率与温度的关系。①490 K时,根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是　　　　　(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。 ②490 K时,曲线a与曲线b相比,CO的存在使甲醇的生成速率增大,从平衡移动的角度,并结合反应ⅰ、ⅱ分析原因:　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
答案:(1)+36　-63(2)①不是　温度越高化学反应速率越快　升高温度,反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低　②AC(3)①Ⅱ　②CO促进反应ⅱ逆向移动,二氧化碳和氢气的量增加,水蒸气的量减少,反应ⅰ正向移动解析:(1)对于反应CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2,反应热=反应物总键能-生成物总键能,故ΔH2=(2×803+436) kJ·ml-1-(1 076+2×465) kJ·ml-1=+36 kJ·ml-1;根据盖斯定律由ⅱ-ⅲ=ⅰ,故ΔH1=ΔH2-ΔH3=+36 kJ·ml-1-(+99 kJ·ml-1)=-63 kJ·ml-1。