高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第1节 化学反应的方向课堂教学ppt课件

这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第1节 化学反应的方向课堂教学ppt课件，共56页。PPT课件主要包含了内容索引，知识铺垫，必备知识，自我检测，问题探究，归纳拓展，应用体验，答案B，答案D，答案C等内容，欢迎下载使用。

基础落实•必备知识全过关
重难探究•能力素养全提升
学以致用•随堂检测全达标
1.通过以工业废气中的二氧化碳为原料合成甲醇反应的自发性判断和条件选择,体会焓变、熵变、化学平衡和反应速率等相关知识的应用价值,逐步形成化学学科的变化观念与平衡思想及科学态度与社会责任的学科核心素养。2.在设计反应、判断方向性和选择条件的活动过程中,综合利用相关知识分析、解决有关问题,初步形成解决这类问题的一般思路并掌握有关的方法,从而形成证据推理与模型认知的学科核心素养。3.通过本项目的学习,树立绿色化学观念,认识到利用化学反应将无用物质转化为有用物质是解决环境问题的重要途径之一,体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。
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。(　　)
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。
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:①CO2(g)+3H2(g) ==CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=-48.97 kJ·ml-1,ΔS1=-177.16 J·ml-1·K-1;②CO2(g)+2H2O(g) ==CH3OH(g)+ O2(g)　ΔH2=+676.48 kJ·ml-1,ΔS2=-43.87 J·ml-1·K-1
③CO2(g)+H2(g) ==CO(g)+H2O(g)　ΔH3=+41.17 kJ·ml-1,ΔS3=+42.08 J· ml-1·K-1。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。
【典例1】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=-676.48 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(2)CH3OH(g)+ O2(g) ==CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=-764.48 kJ·ml-1
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反应产物的总能量,所以该反应属于放热反应。(2)①CH3OH(g)+ O2(g) ==CO2(g)+2H2O(g)ΔH=-676.48 kJ·ml-1,②H2O(l) ==H2O(g)　ΔH=+44 kJ·ml-1,利用盖斯定律将①-②×2可得CH3OH(g)+ O2(g) ==CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=-676.48 kJ·ml-1-44 kJ·ml-1×2=-764.48 kJ·ml-1。
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。
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。
【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　　　　　 (填“>”或“<”) 0。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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 
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:　　　 CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)起始/mlx2x 0转化/ml0.50x1.0x 0.50x平衡/ml0.50x1.0x 0.50x
不同温度的转化率越大,K越大,故Kp(R)>Kp(S)。(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
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,在三个容积均为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
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,
故开始时反应向正反应方向进行,D选项正确。
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,向容积为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
解析由题图可知,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:　　　　 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)开始/(ml·L-1) 1 1 0 0转化/(ml·L-1)0.25 0.25 0.25 0.75平衡/(ml·L-1)0.75 0.75 0.25 0.75
C项正确;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(　　)
A.t0~t1时间内v(H2)= ml·L-1·min-1B.t1时,若升高温度或再充入CO2气体,都可以提高H2的转化率C.t0时,v(正)>v(逆)D.T ℃时,题给反应的平衡常数K= ml-2·L2,CO2与H2的转化率相等
解析t0~t1时间内v(H2)= ml·L-1·min-1,A项正确;由题表中信息可知t1时该反应达到平衡状态,由于正反应是放热反应,若t1时升高温度,则平衡要向逆反应方向移动,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;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= ml-2·L2,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.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(　　)
B.该反应在T1时的平衡常数比T2时的小C.CO合成甲醇的反应为吸热反应
解析因题给反应的方程式中氢气前的系数为2,则该反应的平衡常数的表达式为K= ,A错误;由图像可知,反应从T2到T1时,甲醇的物质的量增大,根据平衡常数的计算式可知T1时的平衡常数比T2时的大,B错误;由图像可知在T2温度下反应先达到平衡,反应速率较T1快,则有T2>T1,从图像的纵坐标分析可得温度降低,平衡向正反应方向移动,则正反应为放热反应,C错误;处于A点的反应体系从T1变到T2的过程中,平衡向逆反应方向移动,则c(H2)增大,而c(CH3OH)减小,达到平衡时 应该增大,D正确。
5.煤化工是以煤为原料,经过化学加工使煤转化为气体、液体、固体燃料以及各种化工产品的工业过程。(1)将水蒸气通过红热的炭即可产生水煤气。反应的热化学方程式为C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)　ΔH=+131.3 kJ·ml-1。一定温度下,在一个容积可变的密闭容器中,发生上述反应,下列能判断该反应达到化学平衡状态的是　　　(填字母,下同)。 a.容器中的压强不变b.1 ml H—H键断裂的同时断裂2 ml H—O键c.v正(CO)=v逆(H2O)d.c(CO)=c(H2)
(2)将不同量的CO(g)和H2O(g)分别通入容积为2 L的恒容密闭容器中,进行反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g),得到如下三组数据:
①实验1中以v(CO2)表示的反应速率为　　　　　　　　　。  ②该反应的逆反应为　　　(填“吸”或“放”)热反应。  ③若实验3要达到与实验2相同的平衡状态(即各物质的质量分数分别相等),且t<3 min,则a、b应满足的关系是　　　　　　　　(用含a、b的数学式表示)。  
(3)目前工业上有一种方法是用CO2来生产甲醇。一定条件下发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g),如图表示该反应进行过程中能量(单位为kJ·ml-1)的变化。在容积为1 L的恒容密闭容器中,充入1 ml CO2和3 ml H2,下列措施中能使c(CH3OH)增大的是　　　　(填字母)。 a.升高温度b.充入He(g),使体系压强增大c.将H2O(g)从体系中分离出来d.再充入1 ml CO2和3 ml H2
答案 (1)bc(2)①0.16 ml·L-1·min-1　②吸　③b=2a,a>1(或使用合适的催化剂)(3)cd
解析 (1)对于容积可变的密闭容器,无论反应是否达平衡,压强都不变,故a不符合题意;1 ml H—H键断裂表示v逆(H2),断裂2 ml H—O键表示v正(H2O),且正、逆反应速率相等,故b符合题意;c中正、逆反应速率相等,符合题意;根据反应方程式可知,无论反应是否达平衡,都有c(CO)=c(H2),故d不符合题意。
②反应CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)为反应前后气体物质的量不变的可逆反应,根据题表中数据可得,650 ℃时,若在容器中加入1 ml H2O(g)和2 ml CO(g),则平衡时可得H2(g)0.8 ml;而900 ℃时,在容器中加入1 ml H2O(g)和2 ml CO(g),平衡时可得H2(g)0.4 ml,说明升高温度平衡逆向移动,则逆反应为吸热反应。③根据题意可知,等温、等容条件下气体物质的量不变的可逆反应建立等效平衡(压强不影响该平衡移动),则a∶b=1∶2,t<3 min,即增大反应速率,所以a>1(或使用合适的催化剂)。(3)由题图可知,正反应为放热反应,升高温度,平衡左移,c(CH3OH)减小,故a错误;恒容条件下充入He(g),平衡不移动,c(CH3OH)不变,故b错误;将H2O(g)从体系中分离出来,平衡右移,c(CH3OH)增大,故c正确;再充入1 ml CO2和3 ml H2,增大反应物浓度,平衡右移,c(CH3OH)增大,故d正确。
6.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:ⅰ.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2ⅲ.CH3OH(g) CO(g)+2H2(g)　ΔH3
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　　　　　(填字母)。 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-反应产物总键能,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。(2)①温度为470 K时,图中P点不是处于平衡状态。在490 K之前,甲醇产率随着温度升高而增大的原因是温度越高化学反应速率越快;490 K之后,甲醇产率下降的原因是升高温度,反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低。②A项,增大压强,反应ⅰ平衡正向移动,正确;B项,由题图可知,温度高于490 K甲醇产率降低,错误;C项,选择合适催化剂,提高甲醇产率,正确;D项,加入大量催化剂,不能影响平衡,错误。