微项目 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 课件(共46张PPT)2023-2024学年高二化学鲁科版选择性必修1

(共46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
——化学反应选择与反应条件优化
素 养 目 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。
基础落实 必备知识全过关
重难探究 能力素养全提升
目录索引
基础落实 必备知识全过关
必备知识
1.利用焓变和熵变判断化学反应的方向
<
>
>
=
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2.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 既要注意外界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
从催化剂的活性方面分析 注意催化剂的活性对温度的限制
【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,既有利于加快反应速率,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。
自我检测
判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)理论上说,甲醇与氧气的反应可设计成燃料电池。(　　)
(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。(　　)
√
√
√
√
√
重难探究 能力素养全提升
探究一　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。
归纳拓展
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:
①CO2(g)+3H2(g) ==CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH1=-48.97 kJ·mol-1,ΔS1=-177.16 J·mol-1·K-1;
②CO2(g)+2H2O(g) ==CH3OH(g)+ O2(g)　ΔH2=+676.48 kJ·mol-1,
ΔS2=-43.87 J·mol-1·K-1
③CO2(g)+H2(g) ==CO(g)+H2O(g)　ΔH3=+41.17 kJ·mol-1,
ΔS3=+42.08 J· mol-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。
应用体验
视角1 利用二氧化碳合成甲醇
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>0
B.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
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。
2.T ℃时,在1 L的密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2,一定条件下发生反应:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH1=-48.97 kJ·mol-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(　　)
B
视角2 利用一氧化碳合成甲醇
3.在绝热的某刚性容器中充入1 mol CO和2 mol H2,发生反应:CO(g)+2H2(g)
CH3OH(g)　ΔH。下列说法中能够判断该反应一定处于平衡状态的有(　　)
①容器中CO、H2、CH3OH共存　
②单位时间内生成1 mol CH3OH的同时消耗2 mol H2　
③CO(g)与CH3OH(g)体积之比恒定不变　
④容器中温度恒定不变　
⑤容器中CO、H2、CH3OH的物质的量之比为1∶2∶1　
⑥反应容器中压强不随时间变化
A.①②③ B.③④⑥ C.①⑤⑥ D.②⑤⑥
B
解析 ①该反应是可逆反应,无论反应是否达到平衡状态,三种物质都存在,所以容器中三种物质共存时不一定达到平衡状态,①错误;②单位时间内生成1 mol CH3OH的同时消耗2 mol H2,只能表明化学反应正向进行,不能体现正逆反应速率相等,②错误;③只要平衡发生移动,CO(g)与CH3OH(g)体积之比就会发生改变,因此当二者体积的比值恒定不变时,反应达平衡状态,③正确;④只要平衡发生移动,容器中温度就会发生改变,则温度恒定不变时,反应达平衡状态,④正确;⑤容器中CO、H2、CH3OH的物质的量之比为1∶2∶1,这与反应的初始物质的量以及反应的转化程度有关,不能确定是否达到平衡状态,⑤错误;⑥该反应是气体体积缩小的反应,只要未达平衡,各物质的浓度就会发生改变,压强也会发生改变,当压强不随时间而改变时,各物质的浓度不变,反应达平衡状态,⑥正确;综合以上分析,③④⑥符合题意;故选B。
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(　　)
D
探究二　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。
1.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: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。
归纳拓展
2.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。
应用体验
视角1 合成甲醇适宜条件的选择
1.(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)。
>
解析 R点时CO的平衡转化率为0.50,设起始加入的CO为x mol,根据“三段式”分析:
　　　 CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
起始/mol x 2x 0
转化/mol 0.50x 1.0x 0.50x
平衡/mol 0.50x 1.0x 0.50x
不同温度的转化率越大,K越大,故Kp(R)>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　　　　　　　　　　　　　　　　。
<
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 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。
2.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)　ΔH1
ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)　ΔH2
ⅲ.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:
化学键 H—H C=O C≡O H—O
E/(kJ·mol-1) 436 803 1 076 465
由此计算ΔH2=_______ kJ·mol-1。已知ΔH3=+99 kJ·mol-1,则ΔH1=_______ kJ·mol-1。
+36
-63
解析 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·mol-1-(1 076+2×465) kJ·mol-1 =+36 kJ·mol-1;根据盖斯定律由ⅱ-ⅲ=ⅰ,故ΔH1=ΔH2-ΔH3=+36 kJ·mol-1-(+99 kJ·mol-1)=-63 kJ·mol-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.选择合适的催化剂 D.加入大量催化剂
不是
温度越高化学反应速率越快
升高温度,反应ⅰ平衡逆向移动、催化剂活性降低
AC
解析 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时甲醇产率降低,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。
(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: 　 。
Ⅱ
CO促进反应ⅱ平衡逆向移动,二氧化碳和氢气的量增加,水蒸气的量减少,反应ⅰ正向进行
解析 ①490 K时,从甲醇的生成速率来看,a曲线大于c曲线,即甲醇来源于CO2和H2,故490 K时,根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是Ⅱ;②490 K时,曲线a与曲线b相比,CO的存在使甲醇生成速率增大,原因是:对于反应ⅱ来说CO是反应产物,CO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正向进行,故CO的存在使甲醇生成速率增大。
视角2 合成有机化合物过程的图像分析
3.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 mol CO2和8 mol H2,发生反应CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-48.97 kJ·mol-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 mol·L-1·min-1
B.保持温度不变,若起始时向上述容器中充入4 mol CO2、2 mol H2、2 mol CH3OH(g)和1 mol 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 mol CO2和4 mol 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
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 mol,则CO2的变化量为2 mol,该反应在0~8 min内CO2的平均反应速率是 =0.125 mol·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 mol CO2、2 mol H2、2 mol CH3OH(g)和2 mol H2O(g),保持温度不变,若起始时向容器中充入4 mol CO2、2 mol H2、2 mol CH3OH(g)和1 mol H2O(g),相当于在原平衡状态的基础上减少1 mol 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 mol CO2和4 mol 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。
4.工业上制备合成气的工艺主要是甲烷水蒸气重整: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 mol CH4(g)和1 mol 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 mol·L-1·min-1
C.该反应的化学平衡常数K=0.187 5 mol2·L-2
D.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
C
解析 由题图可知,10 min时反应达到平衡,平衡时水蒸气和氢气的浓度均为0.75 mol·L-1,则:
　　　　 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)
开始/(mol·L-1) 1 1 0 0
转化/(mol·L-1) 0.25 0.25 0.25 0.75
平衡/(mol·L-1) 0.75 0.75 0.25 0.75
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。
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·mol-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 mol H—H键断裂的同时断裂2 mol H—O键
c.v正(CO)=v逆(H2O)
d.c(CO)=c(H2)
bc
解析 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 mol H—H键断裂表示v逆(H2),断裂2 mol 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)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中从开始到平衡以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,不考虑催化剂)。
0.16 mol·L-1·min-1
吸
b=2a,a>1
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 mol H2O(g)和2 mol CO(g),则平衡时可得H2(g)0.8 mol;而900 ℃时,在容器中加入1 mol H2O(g)和2 mol CO(g),平衡时可得H2(g)0.4 mol,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。
(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·mol-1)的变化。在容积为1 L的恒容密闭容器中,充入1 mol CO2和3 mol 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 mol CO2和3 mol H2
cd
解析 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 mol CO2和3 mol H2,增大反应物浓度,平衡右移,c(CH3OH)增大,故d正确。
本 课 结 束