1、温馨提示： 此套题为Word版，请按住Ctrl,滑动鼠标滚轴，调节合适的观看比例，答案解析附后。关闭Word文档返回原板块。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 必备知识自主学习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，H0，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，S0，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HTS2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
2、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，CO23H2=CH3OHH2O。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
3、示：反应的H0，S0，因此在低温时HTS0，反应正向自发进行。反应的H0，S0，因此在任何温度下HTS均不能为负值，反应正向不能自发进行。因此应选用反应合成甲醇。2在利用反应合成甲醇时，可能会伴随如下副反应：CO2(g)H2(g)=CO(g)H2O(g) H41.17kJmol1S42.08 Jmol1K1。判断此反应能否正向自发进行。提示：由于此反应H0，S0，因此在高温时HTS0，反应正向自发进行。 (1)判断反应的正向自发进行的最高温度为多少？提示：276.42 K。HTS0反应才能自发进行，因此有48.97 kJmol1T(177.16103 kJmol1K1)0，解得T276.42
4、K。因此反应在温度低于276.42 K时反应正向自发进行。(2)判断反应的副反应正向自发进行的最低温度为多少？提示：978.37 K。HTS0反应才能自发进行，因此有41.17 kJmol1T(42.08103 kJmol1K1)0，解得T978.37 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H0，S0时，反应正向一定能自发进行。(2)当H0，S0时，反应正向一定不能自发进行。(3)当H0，S0时，在低温下反应正向能自发进行。(4)当H0，S0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
5、。下列有关说法错误的是()A有利于减排CO2B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CuOZnO/Al2O3催化剂，合成反应为CO2H2CH3OH，工艺中一些参数如图；目前正在开发的新法2CH4O22CH3OH，下列有关新法和旧法的说法正确的
6、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)91，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
7、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)H48.97 kJmol1。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。
8、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)H48.97 kJmol1。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
9、影响n(H2)n(CO2)2357(CO2)/%11.6313.6815.9318.71(CH3OH)/%3.044.125.266.93注：为转化率，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
10、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.%)(CH3OH)/g(kg催化剂)1h1选择性/%CuO/ZnO/Al2O365.826.37.9007840CuO/ZnO/ZrO262.425.0012.609688CuO/ZnO/ZrO2/MnO65.826.603.6488100CuO/ZnO/ZrO2/MnO65.826.605.6213891注：反应条
11、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
12、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：mLmin1)的关系如图所示(保持其他条件相同)。在410440 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
13、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
14、.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KD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”T2T1，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；T2T1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
15、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H0【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，H0，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HTS0，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，HTS0，从化学方程式知TS0，说明HKCC若达到平衡状态A时，容器的体积为10 L，则在平衡状态B时容器的体积为2 LD合成甲醇的反应为吸热反应【解析】选A
16、、D。B点到C点，升温反应速率增大，所以B点的速率比C点的小，故A不符合题意；B.升温平衡左移，K减小，所以 A、B、C三点的平衡常数KA、KB、KC的大小关系为KAKBKC，故B符合题意；C.平衡状态A时，c(CO)0.5 molL1，c(H2)1 molL1，c(CH3OH)0.5 molL1，KA1 L2mol2。平衡状态B时，设容器体积为x L，c(CO)2/x molL1，c(H2)4/x molL1，c(CH3OH)8/x molL1，KBKA1 L2mol2，x2，平衡状态B时容器的体积为2 L，故C正确；升温平衡左移，所以合成甲醇的反应为放热反应，故D错误。【加固训练】(202
17、1荆门高二检测)碳酸二甲酯CO(OCH3)2是一种无毒、环保性能优异、用途广泛的化工原料。在催化剂作用下，可由甲醇和CO2直接合成：CO22CH3OHCO(OCH3)2H2O。某研究小组在某温度下，在0.1 L恒容密闭容器中投入2.5 mol CH3OH(g)、适量CO2和6105mol催化剂，研究反应时间对甲醇转化数(TON)的影响，其变化曲线如图所示。计算公式为TON转化的甲醇的物质的量/催化剂的物质的量。下列说法不正确的是()A.在该温度下，最佳反应时间是10 hB410 h内碳酸二甲酯的平均反应速率是7.5104molL1h1C向反应体系中添加催化剂，一定能提高反应的TOND该合成方法
18、可以利用廉价的甲醇把影响环境的温室气体CO2转化为资源，在资源循环利用和环境保护方面具有重要意义【解析】选C。A项，由图可知10 h时，图象达到最高点，转化率最高，故A项正确；B项，410 h内碳酸二甲酯的平均反应速率为7.5104molL1h1，故B项正确；C项，添加催化剂不会改变反应平衡的移动，转化率不变，则不一定能提高TON，故C项错误；D项，该反应可以把二氧化碳转化成无毒、环保性能优异、用途广泛的碳酸二甲酯，故D项正确。3(双选)(2021佛山高二检测)以甲醇为原料在一定条件下合成乙烯，2CH3OH(g)C2H4(g)2H2O(g)。 某研究小组将甲醇蒸气以一定的流速持续通过相同量的同
19、种催化剂， 不同温度得到如下图象， 则下列结论不正确的是()A.一段时间后甲醇反应率下降可能是催化剂活性下降B综合图1、图2可知，甲醇还发生了其他反应C若改变甲醇蒸气的流速，不会影响甲醇反应率和乙烯产率D制乙烯比较适宜的温度是400 左右【解析】选C、D。 催化剂活性是受温度影响的，温度太高，催化剂会失去活性，故A正确；根据 2CH3OH(g)C2H4(g)2H2O(g)，由图1知450 时甲醇的反应率比400 大，图2450 C2H4(g)的产率低于400 的产率，所以有其他反应发生，故B正确； 若改变甲醇蒸气的流速，甲醇反应率和乙烯产率都将改变，故C错误；由图2知450 左右制乙烯产率比较
20、高，故D错误。4(2021长沙高二检测)在一定条件下探究二甲醚的制备反应为2CO(g)4H2(g)CH3OCH3(g)H2O(g)H，测定结果如图所示。下列判断错误的是()A.该反应的H0B该反应伴随着副反应的发生C工业选择的较适宜温度为280290 D加入催化剂可以提高CH3OCH3的产率【解析】选D。由题图知，随着温度升高，CO的转化率降低，所以升高温度，平衡逆向移动，则该反应是放热反应，H0，A项正确；从图中可知，CO的转化率降低的同时，CH3OCH3的产率在不同温度下差别大，即说明该反应伴随着副反应的发生，B项正确；在280290 间，CH3OCH3的产率很高，工业选择的较适宜温度为2
21、80290 ，C项正确；加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间，但不能提高CH3OCH3的产率，D项错误。 素养新思维 5(2021昆明高二检测)甲醇合成反应为CO(g)2H2(gCH3OH(g)工业上用天然气为原料，分为两阶段制备甲醇：(1)制备合成气：CH4H2O(g)CO3H2。为解决合成气中H2过量而CO不足的问题，原料气中需添加CO2：CO2H2COH2O。为了使合成气配比最佳，理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为_。(2)合成甲醇：反应过程中物质能量变化如图所示。写出合成甲醇的热化学方程式_。实验室在1 L密闭容器中进行模拟合成实验。将1 mol CO和2 mol H2通入容器中，分
22、别恒温在300 和500 反应，每隔一定时间测得容器中甲醇的浓度如下：(表中数据单位：molL1)10 min20 min30 min40 min50 min60 min300 0.400.600.750.840.900.90500 0.600.750.780.800.800.80300 时反应开始10分钟内，H2的平均反应速率为_。500 时平衡常数K的数值为_。300 时，将容器的容积压缩到原来的，在其他条件不变的情况下，对平衡体系产生的影响是_(填字母)。ac(H2)减小b正反应速率加快，逆反应速率减慢cCH3OH的物质的量增加d重新平衡时减小【解析】(1)CH4H2O(g) CO3H2
23、，CO2H2COH2O，CO(g)2H2(g) CH3OH(g)，则34得3CH4CO22H2O4CH3OH，所以为了使合成气配比最佳，理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为31；(2)由图可知合成甲醇的反应热H(ab) kJmol1，则热化学反应方程式为CO(g)2H2(g) CH3OH(g)H(ba) kJmol1；300 时反应开始10分钟内，甲醇浓度为0.4 molL1，其反应速率为0.04 molL1min1)，由速率之比等于化学计量数之比可知氢气的反应速率为0.04 molL1min120.08 molL1min1；500 时，CO(g)2H2(g) CH3OH(g) 1 2 0转化
24、 0.8 1.6 0.8平衡 0.2 0.4 0.8K25 L2mol2；300 时，将容器的容积压缩到原来的，压强增大，平衡正向移动，a.体积缩小，c(H2)增大，故a错误；b.压强增大，正反应速率加快，逆反应速率也加快，故b错误；c.平衡正向移动，则CH3OH的物质的量增加，故c正确；d.平衡正向移动，氢气的物质的量减少，甲醇的物质的量增加，则重新平衡时c(H2)/c(CH3OH)减小，故d正确；答案选c、d。答案：(1)31(2)CO(g)2H2(g) CH3OH(g)H(ba) kJmol10.080 molL1min125c、d【加固训练】(2021泰安高二检测)甲醇是一种重要的试剂
25、，氢气和二氧化碳在一定条件下可合成甲醇：CO2(g)3H2 (g)CH3 OH(g)H2O(g)，在密闭容器中充入3 mol氢气和1 mol二氧化碳，测得混合气体中甲醇的体积分数与温度的关系如图A所示：试回答下列问题：(1)该反应是_(填“放热”或“吸热”)反应。该反应平衡常数的表达式是_，为了降低合成甲醇的成本可采用的措施是_。(任意写一条合理的建议)(2)解释0T0内，甲醇的体积分数变化趋势：_。(3)氢气在Q点的转化率_(填“大于”“小于”或“等于”，下同)氢气在W点的转化率；其他条件相同，甲醇在Q点的正反应速率_甲醇在M点的正反应速率。(4)图B表示氢气转化率(H2)与投料比的关系，请
26、在图B中画出两条变化曲线并标出曲线对应的条件，两条曲线对应的条件分别为一条曲线对应的压强是1.01105 Pa；另一条曲线对应的压强是3.03105 Pa(其他条件相同)。【解析】(1)T0时，升高温度，甲醇的体积分数减小，平衡逆向移动，正反应为放热反应；该反应平衡常数的表达式为K，为了降低合成甲醇的成本，应该尽可能地使平衡向右移动，可采用的措施有增加CO2的充入量等；(2)温度低于T0时，反应未达到平衡，反应正向进行，使甲醇的体积分数逐渐增大；(3)温度低于T0时，反应未达到平衡，反应正向进行，氢气在Q点的转化率小于平衡时的转化率，W点达到平衡，因此氢气在Q点的转化率小于W点的转化率；平衡之前，甲醇的正反应速率逐渐增大，甲醇在Q点的正反应速率小于W点的反应速率，升高温度，反应速率增大，甲醇在M点的正反应速率大于W点，因此甲醇在Q点的正反应速率小于在M点的正反应速率；(4)根据方程式，增大压强，平衡正向移动，氢气转化率(H2)增大，增大投料比，氢气转化率(H2)减小，画出相应曲线。答案：(1)放热K增加CO2的充入量(2)温度低于T0时，反应未达到平衡，反应正向进行，使甲醇的体积分数逐渐增大(3)小于小于(4)关闭Word文档返回原板块
