10第2章 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（教师用书word）-2022-2023学年新教材高中化学选择性必修1【精讲精练】鲁科版

项目活动1　选择合适的化学反应 甲醇是一种重要的基础有机化工原料。利用含有二氧化碳气体的工业废气为碳源合成甲醇，既可以减少二氧化碳的排放，又可以为甲醇的合成提供一条绿色合成的新途径。 利用二氧化碳合成甲醇，还需要寻找氢源。如果选取常见的水或氢气作为氢源，你可能设计出以下两个反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋O2(g) [思考探究] 1．试分析反应①和②有何特点？ 提示：反应①是一个正向放热且气体体积减小(熵减)的气体反应。反应②是一个正向吸热且气体体积减小(熵减)的气体反应。 2．根据外界条件对化学平衡影响的一般规律，你认为反应①和②分别采取哪些措施有利于甲醇的生成？ 提示：反应①降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成甲醇的方向移动。反应②升高温度、增大压强有利于化学平衡向生成甲醇的方向移动。 3．已知两个反应的焓变和熵变如下表： 反应 ΔH/(kJ·mol－1) ΔS/(J·mol－1·K－1) ① －48.97 －177.16 ② ＋676.48 －43.87 注：反应条件为温度298 K，各气体分压100 kPa。在相同温度下，当气体混合物中的某一组分占据与该气体混合物相同的体积时，所形成的压强为该组分的分压。 假设反应焓变和熵变的数值不随温度改变而变化。请根据表中提供的数据和相关知识，通过计算判断以上两个反应能否正向自发进行。 提示：反应①：ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·mol－1－298 K×(－177.16×10－3 kJ·mol－1·K－1)≈＋3.82 kJ·mol－1>0，反应正向不能自发进行。若降低温度可促进反应正向自发进行。 反应②：ΔH－TΔS＝＋676.48 kJ·mol－1－298 K×(－43.87×10－3 kJ·mol－1·K－1)≈＋689.55 kJ·mol－1>0，反应正向不能自发进行，即对于吸热且熵减小的反应②，任何温度下都不能正向自发进行。 4．根据以上分析，你认为反应①和②哪个反应更适宜于甲醇的工业生产？请说明理由。 提示：根据第3问计算所得数据可知，反应①为放热且熵减小反应，低温下能正向自发进行；而反应②为吸热且熵减小反应，不能通过改变温度使其正向自发进行。因此，工业上可以利用工业废气中的二氧化碳为原料，利用反应①合成甲醇。 项目活动2　选择适宜的反应条件 研究发现，二氧化碳和氢气反应合成甲醇时，通常还伴随发生以下副反应： ③CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) 该反应的焓变为＋41.17 kJ·mol－1，熵变为＋42.08 J·mol－1·K－1。 [思考探究] 1．反应③有何特点？正向能否自发进行？ 提示：该反应为正向吸热且熵增加的反应。由“ΔH－TΔS”判据可知，若正向自发进行，ΔH－TΔS＝＋41.17 kJ·mol－1－T×(＋42.08×10－3 kJ·mol－1·K－1)<0，T>978.37 K，即高温下该反应正向能自发进行。 2．在为工业生产选择适宜条件时，你认为还需要从哪些角度进行综合分析？ 提示：在工业生产中，还需要考虑成本、工艺、安全性等多方面因素，如常常配置一些辅助装置，包括二氧化碳富集装置、甲醇-水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。 3．已知以下材料或实验数据： 不同n(H2)∶n(CO2)对反应的影响 n(H2)∶n(CO2) 2 3 5 7 α(CO2)/% 11.63 13.68 15.93 18.71 φ(CH3OH)/% 3.04 4.12 5.26 6.93 注：α为转化率，φ为产率，反应条件为温度553 K、总压2 MPa，无催化剂。 催化剂组成的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.%) φ(CH3OH)/ [g·(kg­催化 剂)－1·h－1] 选择 性/% CuO/ZnO/ Al2O3 65.8 26.3 7.9 0 0 78 40 CuO/ZnO ZrO2 62.4 25.0 0 12.6 0 96 88 CuO/ZnO ZrO2/MnO 65.8 26.6 0 3.6 4 88 100 CuO/ZnO/ ZrO2/MnO 65.8 26.6 0 5.6 2 138 91 注：(1)反应条件为n(H2)∶n(CO2)＝3∶1，温度553 K，总压4 MPa。 (2)wt.%：质量分数。 (3)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的比例。 (4)甲醇产率