第2章微项目-2023-2024学年高二化学鲁科版选择性必修第一册课件(共17张PPT)

(共17张PPT)
微项目：探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇
—化学反应的选择与反应条件的优化
学习目标
1、通过利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择以及对反应条件的优化，体会反应的焓变、熵变、化学平衡和速率相关知识的应用价值，形成从物质转化以及反应的方向、限度、快慢等多个角度综合分析、解决工业生产实际问题的基本思路。
2、通过本项目的学习，树立绿色化学理念，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。
1．目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。
2．合成甲醇的原料我国用煤和重渣油(大多数国家用CH4)。
3．选择CO2作碳源合成甲醇的原因
(1)工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题；
(2)天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少；
(3)用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。
知识背景：
假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知298 K，100 kPa时，有如下反应：
①CO2(g)＋3H2(g) = CH3OH(g)＋H2O(g)　
ΔH＝－48.97 kJ·mol－1　ΔS＝－177.16 J·mol－1·K－1
②CO2(g)＋2H2O(g) = CH3OH(g)＋3/2O2(g)　
ΔH＝＋676.48 kJ·mol－1　ΔS＝－43.87 J·mol－1·K－1
③CO2(g)＋H2(g) = CO(g)＋H2O(g)　
ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1　ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1
项目活动1　选择合适的化学反应
[思考]1．请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？
2．用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？
2．用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？
有反应①、③，其中反应③是较高温度时的副反应。
反应①，ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·mol－1－298 K×(－0.177 16) kJ·mol－1·K－1 ≈ 3.82 kJ·mol－1＞0，该反应属于放热熵减反应，降低温度时正向反应自发进行。
反应②属于吸热熵减反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。
反应③,ΔH－TΔS＝＋41.17 kJ·mol－1－298 K×0.042 08 kJ·mol－1·K－1≈＋28.63 kJ·mol－1 ＞0，该反应属于吸热熵增反应，在高温下正向反应自发进行。
[思考]
1.请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？
1．理论分析
项目活动2　选择适宜的反应条件
需在低温、高压条件下进行。
角度2：反应速率
角度1：反应限度(转化率)
反应①在低温时自发进行，Δvg＜0，加压有利于合成甲醇。据此可知，合成甲醇应选择什么条件？
为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化剂均可加快反应速率。
工业生产的主要目的之一是获得利润，因此选择合成甲醇的适宜条件时，既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应速率、应选择以较高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。
理论分析条件的选择
矛盾之处——发现问题：
升温，不利于反应①的平衡正向移动，同时副反应③正向移动，副产物增多；使用催化剂加快反应速率，但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。
阅读课本第 84 - 85 页探讨实际合成甲醇条件的选择
交流研讨：
(1)不同n(H2)∶n(CO2)对反应的影响
(2)改变压强对反应的影响
(3)温度对反应的影响
分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2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n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好。
从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。
从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。
1．从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？
思考：
应选择合适的n(H2)∶n(CO2)、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。
2．从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？
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。
总结归纳：
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·mol-1
副反应CO2(g)+H2(g) === CO(g)+H2O(g)　ΔH2=+41.17 kJ·mol-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：催化剂的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。
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。
1．一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g) CH2=CH2(g)＋4H2O(g)。已知温度对CO2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(　　)
练习：
A．M点的正反应速率v(正)大于N点的逆
反应速率v(逆)　
B．若投料比n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，则图
中M点对应乙烯的体积分数为5.88%
C．250 ℃，催化剂对CO2平衡转化率的影响最大
D．当温度高于250 ℃，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低
B
2．利用CO和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。一定条件下，在容积为V L的密闭容器中充入a mol CO与2a mol H2合成甲醇，CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
(2)该甲醇合成反应在A点的平衡常数K＝________________(用a和V表示)。
(3)该反应达到平衡时，反应物的转化率：α(CO)___α(H2)(填“＞”“＜”或“＝”)。
(1)p1_____p2(填“＞”“＜”或“＝”)，理由是
________________________________________
_______________________________________。
＜
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，CO的平衡转化率提高
＝
(4)下列措施中一定能够同时满足增大反应速率和提高CO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CH3OH从反应混合物中分离出来
E．加入物质的量之比为1∶2的CO和H2
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