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课标解读课标要求素养要求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.科学探究与创新意识:通过探究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，认识科学探究是进行科学解释、创造和应用的实践活动。能从问题和假设出发，依据探
2、究目的，设计探究方案，运用化学实验、调查等方法进行实验探究。2.科学态度与社会责任:通过本项目的学习，感受化学知识在解决实际问题中的应用价值。有理论联系实际的观念，有将化学成果应用于生产、生活的意识。项目活动学科探究项目活动1 选择合适的化学反应微知识1.选择二氧化碳合成甲醇的原因（1）目前有机原料按消费量排序，前4位是乙烯、丙烯、苯、 甲醇 。（2）现在合成甲醇的原料大多数国家以 天然气 为主要原料，我国则是以 煤和重渣油 为主要原料。（3）选择CO2 作碳源合成甲醇的原因a .工业废气中含大量CO2 ，排放到空气中会带来环境问题；b.天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少；c .用CO
3、2 合成甲醇符合绿色化学要求。2.设计适于工业生产的化学反应考虑的角度（1）反应在指定条件下能否 正向自发进行 ；（2）考虑原料的 来源 等。微探究1.CO2 的大量排放有什么危害？试设想如何将CO2 变废为宝？答案：提示 CO2 大量排放加剧“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。2.已知二氧化碳合成甲醇可能用到以下反应：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+2H2O(g)CH3OH(g)+32O2(g)反应H/(kJmol-1)S/(
4、Jmol-1K-1)-48.97-177.16+676.48-43.87（1）请根据焓变和熵变判断上述2个反应是否能正向自发进行？应该选择哪个反应？（2）判断反应的正向自发进行的最高温度为多少？答案：（1）提示 反应属于放热的熵减小反应，低温时反应正向自发进行。反应属于吸热的熵减小反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。所以应该选择反应。（2）276.42K 。H-TS0 反应才能自发进行，因此有-48.97kJmol-1-T(-177.1610-3kJmol-1K-1)0 ，解得T276.42K 。因此反应在温度低于276.42K 时正向自发进行。3.利用氢气和二氧化碳制取甲醇时，还可能发生
5、反应：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)H=+41.17kJmol-1S=+42.08Jmol-1K-1 。请判断此反应是否能正向自发进行？答案：提示 该反应属于吸热的熵增加的反应，在高温下能正向自发进行。微点拨1.化学反应方向的判断（1）焓变、熵变对反应方向的影响a .反应焓变与反应方向的关系：大部分H0 的反应自发进行；b .反应熵变与反应方向的关系：大部分S0 的反应自发进行；c .在温度、压强一定的条件下，自发反应总是向H-TS0 的方向进行，直至达到平衡状态。（2）判断依据2.设计化学反应来解决实际问题的一般思路（1）在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或试
6、制新的化学品。这时，首先需要判断所设计反应是否可行，即判断在某种条件下所设计反应是否能够正向自发进行、能进行到什么程度。（2）只有在确知所设计反应可以正向自发进行时，才能进一步考虑反应的速率问题并采取具体措施，如选用催化剂等。微训练1.（2021宁夏银川高二月考）用钌的配合物作催化剂，一定条件下可直接光催化分解CO2 发生反应：2CO2(g)2CO(g)+O2(g) 。下列有关焓变与熵变说法不正确的是( )A.该反应的S0B.该反应的H0C.该反应的逆反应在一定条件下也能自发进行D.该反应的熵变效应大于焓变效应答案：B解析：题给反应的正反应是气体体积增大的反应，也就是熵增加的反应，A正确。题给
7、反应是分解反应，且该反应的逆反应是CO 的燃烧，是放热反应，所以该反应是吸热反应，B错误。虽然题给反应的逆反应是熵减小的反应，但反应放热，一定条件下可以自发进行，C正确。题给反应的S0,H0 ，能自发进行说明熵变的影响大于焓变，D正确。2.（2021河南濮阳联考）下列说法不正确的是( )A.Na 与H2O 的反应是熵增的放热反应，该反应能自发进行B.某吸热反应能自发进行，因此该反应是熵增反应C.(NH4)2CO3 在室温下就能自发分解，说明该反应的S0D.2NO(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g) 常温下能自发进行，说明该反应的H0答案：C解析：(NH4)2CO3=2NH3+CO2
8、+H2O 为S0 的反应。项目活动2 选择适宜的反应条件微知识1.化学反应适宜条件选择的原则（1）综合原则一般 从化学平衡和化学反应速率 、 主反应和副反应 等多个方面综合考虑，并根据有关理论和实验数据对所选择的条件进行论证。例如：选择温度时要综合考虑温度对 平衡移动方向 、 反应速率 和 催化剂活性 的影响考虑调控反应体系中各组分浓度、促使平衡正向移动时需要考虑如何避免或减少 副反应的发生 及如何选择性地促进 主反应正向移动 （2）催化剂寻找催化效率高、 选择性高 的催化剂，有效缩短到达平衡的时间，在尽可能短的时间内获得尽量多的产物。（3）其他条件工业生产中，还要考虑 成本、工艺、安全性 等
9、方面因素。2.外界条件对化学平衡的影响条件的改变（其他条件不变）化学平衡的移动浓度增大反应物浓度或减小生成物浓度向 正反应 方向移动减小反应物浓度或增大生成物浓度向 逆反应 方向移动压强（对有气体存在的反应）反应前后气体体积改变增大压强向 气体体积减小 的方向移动减小压强向 气体体积增大 的方向移动反应前后气体体积不变改变压强平衡不移动温度升高温度向 吸热 反应方向移动降低温度向 放热 反应方向移动催化剂使用催化剂，平衡不移动3.外界因素对化学反应速率的影响影响因素影响结果（其他条件不变）浓度固体或纯液体浓度为常数，增加反应物的量，反应速率 不变 （但固体物质的表面积影响反应速率）气体或溶液增
10、大反应物的浓度，反应速率 加快 温度升温反应速率 加快 降温反应速率 减慢 压强加压（缩小体积）对有气体参加的反应，正、逆反应速率均 加快 减压（扩大体积）对有气体参加的反应，正、逆反应速率均 减慢 催化剂使用催化剂能同时同比例改变正、逆反应的速率微探究1.二氧化碳合成甲醇反应时，一定条件下，不同n(H2):n(CO2) 对反应的影响如下表，分析表中数据，实际生产中是不是n(H2):n(CO2) 数值越大越好？(CO2) 表示CO2 的转化率，(CH3OH) 表示CH3OH 的产率n(H2):n(CO2)2:13:15:17:1(CO2)/%11.6313.6815.9318.71(CH3OH
11、)/%3.044.125.266.93答案：提示 不是。由题表中数据可知，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。2.二氧化碳合成甲醇反应时，不同压强对反应的影响如下图523K ，n(H2):n(CO2)=3:1 ，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr 纳米纤维，分析图中数据，实际生产中是不是压强越大越好？(CH3OH) 表示甲醇的产率答案：提示 不是。分析题图中数据可知，压强越大，甲醇的产率越大，但从设备成本看，压强越大生产成本越高。3.二氧化碳合成甲醇反应时，不同温度对反应的影响如下图总压5M
12、Pa ，n(H2):n(CO2)=3:1 ，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr 纳米纤维，为什么温度高时甲醇的产率(CH3OH) 反而降低？答案：提示 合成甲醇的反应是放热反应，平衡后温度升高平衡向逆反应方向移动，甲醇产率降低。4.综合以上分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？答案：提示 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。5.从工业生产流程考虑还有哪些措施可提高甲醇的产率？答案：提示 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。微点拨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
13、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、高压的能力等从催化剂的使用活性分析注意温度对催化剂的活性的限制微训练1.低温脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物，发生的化学反应为2NH3(g)+NO(g)+NO2(g)2N2(g)+3H2O(g)H0 。在恒容的密闭容器中，下列有关说法正确的是( )A.平衡时，其他条件不变，升高温度可使该反应的平衡常数增大B.平衡时，其他条件不变，增加NH3 的浓度，废气中氮氧化物的转化率减小C.单位时间内消耗NO 和N2 的物质
14、的量之比为1:2时，反应达到平衡D.其他条件不变，使用高效催化剂，废气中氮氧化物的转化率增大答案：C解析：由于题给反应为放热反应，升高温度时，平衡向逆反应方向移动，该反应的平衡常数减小，A错误；增大一种反应物的浓度，自身的转化率降低，而其他反应物的转化率增大，B错误；单位时间内消耗NO 和N2 的物质的量之比为1:2时，说明v正=v逆 ，反应达到平衡，C正确；催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，即不能改变转化率，D错误。2.有平衡体系：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)H0 ，为了增加甲醇(CH3OH) 的产量，应采用的正确措施是( )A.高温、高压B.适宜温度、高压、催化剂C.
15、低温、低压D.高温、高压、催化剂答案：B解析：此反应为放热反应，高温使平衡逆向移动，甲醇的产率减小，故A、D错误；适宜的温度和催化剂，有利于反应速率增大，题给反应的正反应为体积减小的反应，故高压使平衡正向移动，故B正确；低压下，平衡向逆反应方向移动，不利于甲醇的产出，故C错误。评价检测素养提升1.下列对化学反应预测正确的是( )选项化学方程式已知条件预测AM(s)=X(g)+Y(s)H0它是非自发反应BW(s)+xG(g)=2Q(g)H0 ，能自发进行x 可能等于1、2、3C4X(g)+5Y(g)=4W(g)+6G(g)能自发进行H 一定小于0D4M(s)+N(g)+2W(l)=4Q(s)常温
16、下，自发进行H0A.A B.B C.C D.D答案：B解析：A项，H0,S0 ，高温下题给反应能自发进行；C项，题给反应S0 ，若使H-TS0 ，H 可能大于0也可能小于0；D项，题给反应S0 ，若常温下自发进行，则H0 才能使H-TS0 。2.（2021山东潍坊高二月考）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、高压下石墨转化为金刚石是自发的化学反应C.由焓判据和熵判据组合而成的复合判据适合于所有的化学反应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答案：C解析：A
17、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，焓判据和熵判据组合而成的复合判据，只要H-TS0 ，反应就可以自发进行，若H-TS0 ，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，H-TS0 ，从化学方程式知S0 ，说明H0 ，错误。3.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种催化剂，不同温度得到如下图像，则下列结论不正确的是( )A.一段时间后
18、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450 左右答案：C解析：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) ，由题图1知450 时甲醇的反应速率比400 快，由图2知450 时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；由题图2知450 左右制乙烯产率比较高，故D正确。4.一定条件下合成乙烯：6H2(g)+2CO2
19、(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( )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答案：B解析：化学反应速率随温度的升高而加快，由题图可知，当温度高于250 时，催化剂的催化效率随温度的升高而降低，所以M 点的正反应速率v （正）有可能小于N 点的逆反应速率v （逆），A错误；设开始
20、投料时n(H2) 为4mol ，则n(CO2) 为1mol ，在M 点对应的平衡体系中二氧化碳的转化率为50% ，列“三段式”得：6H2(g)+2CO2(g)CH2=CH2(g)+4H2O(g)mathrm开始物质的量/mol4100mathrm转化物质的量/mol1.50.50.251mathrm平衡物质的量/mol2.50.50.251所以乙烯的体积分数为0.25mol2.5mol+0.5mol+0.25mol+1mol100%5.88% ，B正确；催化剂不影响平衡转化率，只影响化学反应速率，C错误；根据题图可知，当温度高于250 时，升高温度二氧化碳的平衡转化率降低，则说明平衡逆向移动，
21、但催化剂的催化效率与化学平衡没有关系，并不是平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低，D错误。5.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VL 的密闭容器中充入amolCO 与2amolH2 合成甲醇，CO 的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。（1）p1 （填“”“”或“=”）p2 ，理由是 。（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：CO （填“”“”或“=”）H2 。（4）下列措施中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
22、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.加入等物质的量的CO 和H2答案：（1）; 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（2）12V2a2mol-2L2 （3）= （4）C解析：（1）由题图可知，相同温度下，p2 压强下CO 的平衡转化率大于p1 压强下CO 的平衡转化率，正反应是气体体积减小的反应，压强增大，平衡向正反应方向移动，所以p1p2 。（2）向VL 恒容密闭容器中充入amolCO 与2amolH2 ，A 点时CO 的平衡转化率为75% ，故CO 的变化量为0.75amol ，则根据CO(g)+
23、2H2(g)CH3OH(g) ，H2 的变化量为0.75amol2=1.5amol ，CH3OH 的变化量为0.75amol ，平衡时CO 的浓度为0.25aVmolL-1 、H2 的浓度为0.5aVmolL-1 、CH3OH 的浓度为0.75aVmolL-1 ，平衡常数K=c平(CH3OH)c平(CO)c平2(H2) ，解得K=12V2a2mol-2L2 。（3）CO 和H2 的初始加入量之比为1:2，等于其化学计量数之比，故CO 和H2 的转化率相等。（4）使用高效催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡，故A错误；降低反应温度，反应速率减慢，故B错误；增大体系压强，反应速率加快，平衡向正反应
24、方向移动，CO 的转化率增大，故C正确；不断将CH3OH 从反应混合物中分离出来，降低浓度，反应速率减慢，故D错误；加入等物质的量的CO 和H2 ，反应速率增大，但CO 的转化率降低，故E 错误。6.在n （乙烯）与n （乙酸）的物料比为1:1的条件下，某研究小组在不同压强下进行了在相同时间点乙酸乙酯的产率随温度的变化的测定实验，实验结果如图所示。回答下列问题：（1）温度在6080 范围内，乙烯与乙酸合成乙酸乙酯的反应速率的大小顺序是 用v(p1)、v(p2)、v(p3) 分别表示不同压强下的反应速率。（2）a、b、c 三点乙烯的转化率的大小顺序是 。（3）在p1、6090 时，乙酸乙酯的产率
25、先升高后降低的原因是 ，根据测定的实验结果分析，较适宜的生产条件是 （填合适的压强和温度）。答案：（1）v(p1)v(p2)v(p3) （2）cba （3）6080 反应从正反应方向开始，未达平衡，温度高反应速率大，乙酸乙酯产率高; 80 时反应已达平衡且正反应放热，故压强不变，升高温度平衡逆向移动，乙酸乙酯产率下降 p1 和80解析：（1）增大压强，平衡向正反应方向移动，乙酸乙酯的产率增大，故p1p2p3 ，增大压强，反应速率加快，故v(p1)v(p2)v(p3) 。（2）由题图可以看出a、b、c 三点乙烯的转化率依次增大，即cba 。（3）反应从正反应方向开始，升高温度，反应先建立平衡，后平衡移动。6080 反应未达平衡，温度高反应速率大，乙酸乙酯产率高；80 时反应已达平衡且正反应放热，故压强不变，升高温度平衡逆向移动，乙酸乙酯产率下降。由题图可知，p1、80 时，乙酸乙酯的产率最高，为较适宜的生产条件。
