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学案

这是一份鲁科版 (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学案，共11页。学案主要包含了加固训练等内容，欢迎下载使用。
微项目学案
1．化学反应方向的判据
(1)焓判据：放热过程中体系能量降低，ΔH＜0，具有自发进行的倾向，但有些吸热反应也可以自发进行，故只用焓变判断反应方向不全面。
(2)熵判据：体系的混乱度增加，即熵增，ΔS>0，反应有自发进行的倾向，但有些熵减的过程也可能自发进行，故只用熵变来判断反应方向也不全面。
(3)复合判据
ΔH－TΔS
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


　(情境思考)甲醇是一种重要的化工原料，广泛用于有机合成、医药、农药、燃料、高分子等领域。而且甲醇是一种重要的清洁燃料。

如果用CO2来合成甲醇，从元素守恒角度分析应该需要哪种元素？请你写出一个制取甲醇的化学方程式。
提示：需要氢元素，CO2＋3H2===CH3OH＋H2O。
关键能力·合作学习
项目活动1：选择合适的化学反应
甲醇是一种基础有机化工原料，广泛应用于有机合成、医药、燃料、高分子等化工生产领域，其消费量在有机原料中仅次于乙烯、丙烯和苯，位居第四位。那么，工业如何合成甲醇？合成甲醇的适宜条件如何进行选择？

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？
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。
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＝＋41.17kJ·mol－1　ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1。判断此反应能否正向自发进行。
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。
(1)判断反应①的正向自发进行的最高温度为多少？
提示：276.42 K。ΔH－TΔS＜0反应才能自发进行，因此有－48.97 kJ·mol－1－T×(－177.16×10－3 kJ·mol－1·K－1)＜0，解得T＜276.42 K。因此反应在温度低于276.42 K时反应正向自发进行。
(2)判断反应①的副反应正向自发进行的最低温度为多少？
提示：978.37 K。ΔH－TΔS＜0反应才能自发进行，因此有＋41.17 kJ·mol－1－T×(＋42.08×10－3 kJ·mol－1·K－1)＜0，解得T＞978.37 K。因此反应在温度高于978.37 K时正向自发进行。

　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。

　(2021·滁州高二检测)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CO2
B．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】选D。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，甲醇在燃烧后生产二氧化碳，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。
【加固训练】
1．(双选)甲醇是重要的基础化工原料，是一种新型的燃料，制取甲醇传统法是采用CuO～ZnO/γ­Al2O3催化剂，合成反应为CO＋2H2CH3OH，工艺中一些参数如图；目前正在开发的新法2CH4＋O22CH3OH，下列有关新法和旧法的说法正确的是(　　)

A.旧法生产中，由图知CO与H2合成甲醇的反应属于放热反应
B．旧法生产中，选择合适的催化剂时，可推测高压法合成比低压法合成更有发展优势
C．新法与旧法相比，原料丰富更具优势
D．新法生产中，需控制V(CH4)/V(O2)＝9∶1，目的是提高空气中氧气的转化率
【解析】选A、C。升高温度，CO的转化率降低，说明平衡逆向移动，正反应为放热反应，A正确；在较低压强下，CO的转化率已经很高，无需高压，并且高压对设备的要求更高，B错误；新法使用甲烷为原料，可直接从天然气中获得，原料来源丰富，更具优势，C正确；新法生产中，CH4的成本高，应通入过量空气，以提高甲烷的转化率，D错误。
2．(2021·三门峡高二检测)甲醇是重要的化工原料。利用CO2和H2在催化剂的作用下合成甲醇，发生的反应如下：CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.97 kJ·mol－1。一定比例的CO2和H2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所示。

当温度为470 K时，图中P点__________(填“是”或“不是”)处于平衡状态。490 K之后，甲醇产率下降的原因是_______________________。
【解析】正反应为放热反应，升高温度，平衡应逆向移动，甲醇产率降低，根据图象470 K时甲醇的产率比490 K时小，故图中P点不是处于平衡状态；490 K之后，升高温度，平衡逆向移动，且催化剂的催化活性降低，使甲醇的产率下降。
答案：不是　正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，且催化剂的催化活性降低
项目活动2：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·mol－1。

1．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。
2．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
n(H2)∶n(CO2)
2
3
5
7
α(CO2)/%
11.63
13.68
15.93
18.71
φ(CH3OH)/%
3.04
4.12
5.26
6.93
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。
3．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。
4．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
组成
CuO/
(wt.%)
ZnO/
(wt.%)
Al2O3/
(wt.%)
ZrO2/
(wt.%)
MnO/
(wt.%)
φ(CH3OH)/
[g·(kg－催化剂)－1·h－1]
选择性/%
CuO/ZnO/
Al2O3
65.8
26.3
7.9
0
0
78
40
CuO/ZnO/
ZrO2
62.4
25.0
0
12.6
0
96
88
CuO/ZnO/
ZrO2/MnO
65.8
26.6
0
3.6
4
88
100
CuO/ZnO/
ZrO2/MnO
65.8
26.6
0
5.6
2
138
91
　　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。
(1)压强的改变对反应①的副反应有何影响？
提示：从速率角度看，压强的改变会改变其反应速率；但是由于此反应前后气体的系数相等，因此压强的改变对平衡没有影响。
(2)在实际生产中适宜温度的选择原则是什么？
提示：在实际生产中温度的选择要考虑催化剂的催化活性，要使催化剂的活性最大。

化工生产适宜条件选择的一般原则
条件
原则
从化学反应速率分析
既不能过快，又不能太慢
从化学平衡移动分析
既要注意反应条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性
从原料的利用率分析
增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本
从实际生产能力分析
如设备承受高温、高压能力等
从催化剂的使用活性分析
注意催化剂的活性对温度的限制

　(双选)(2021·晋江高二检测)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 ℃温度范围内，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】选A、D。根据图象，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。
【加固训练】
(2021·西安高二检测)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(　　)

A.CO合成甲醇的反应为吸热反应
B．处于A点的反应体系从T1变到T2，达到平衡时增大
C．平衡常数K＝
D．该反应在T1时的平衡常数比T2时的小
【解析】选B。 “先拐先平，数值大”T2>T1，升高温度甲醇的物质的量减小，CO合成甲醇的反应为放热反应，故A错误；升高温度甲醇的物质的量减小，平衡左移，增大，故B正确；平衡常数K＝，故C错误；T2>T1升高温度平衡左移K减小，在T1时的平衡常数比T2时的大，故D错误。
课堂检测·素养达标
1．(2021·潍坊高二检测)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】选C。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－TΔS0，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