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 学案 2023-2024学年高二上学期化学鲁科版（2019）选择性必修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 (见学生用书P90) 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.化学反应方向判据 化学反应方向的确定不仅与焓变(ΔH)有关,也与温度(T)、熵变(ΔS)有关,实验证明,化学反应的方向应由ΔH-TΔS确定,若ΔH-TΔS<0则自发进行,否则不能自发进行。对反应进行方向判断的讨论: 类型 ΔH ΔS 反应的自发性 (1) <0 >0 ΔH-TΔS<0,一定能自发进行 (2) >0 <0 ΔH-TΔS>0,一定不能自发进行 (续表) 类型 ΔH ΔS 反应的自发性 (3) <0 (>0) <0 (>0) ΔH-TΔS因温度的变化而可能大于0或小于0,反应自发性也因温度变化而改变。一般来说,低温时以焓变影响为主,高温时以熵变影响为主,ΔH<0,ΔS<0的反应在较低温度下能自发进行;ΔH>0,ΔS>0的反应在较高温度下能自发进行 2.影响化学反应速率的因素 (1)内因(主要因素):反应物本身的性质。 (2)外因(其他条件不变,只改变一个条件) 3.影响化学平衡移动的因素 若其他条件不变,改变下列条件对化学平衡的影响如下: 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反应产物浓度 向正反应方向移动 减小反应物浓度或增大反应产物浓度 向逆反应方向移动 压强(对有气体参加的反应) 反应前后气体分子数改变 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 反应前后气体分子数不变 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 4.勒·夏特列原理 如果改变影响化学平衡的条件之一(如温度、压强以及参加反应的化学物质的浓度),平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。 项目活动1　选择合适的化学反应 (1)最早是用木材干馏法生产甲醇,故甲醇也叫木醇。自然游离状态的甲醇非常少,故这种方法既浪费木材,产品又含有丙酮等杂质,并且很难除去。 (2)目前,工业上合成甲醇多数采用一氧化碳低压催化加氢的方法,合成的热化学方程式为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=-116 kJ·mol-1。 (3)二氧化碳(CO2)的排放不断增加,已经对环境造成了巨大影响。将CO2选择性加氢为甲醇,不仅可以有效减少CO2的排放,而且还可以生产增值的化学物质和燃料。CO2作为原料代替CO加氢合成甲醇已经成为催化反应过程中重要的研究领域,在化学工业上和环境领域有着广阔的应用前景,也是解决温室效应的一个有效方法。由 CO2 和 H2 合成气态甲醇的热化学方程式为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH=-48.97 kJ·mol-1。 问题生成 1.设计适用于工业生产的化学反应时,主要从哪些方面考虑? 答案　首先要考虑反应在指定条件下能否正向自发进行,其次要考虑原料的来源等。 2.应该从哪些角度分析化学反应的特点? 答案　从可逆性、反应前后气态物质化学式前的系数的变化、焓变三个角度分析化学反应的特点。 3.将水蒸气通过红热的木炭即产生水煤气,热化学方程式为C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g)　ΔH=+131.3 kJ·mol-1,ΔS=+133.7 J·mol-1·K-1。该反应在低温下能否自发进行? 答案　不能。根据ΔH-TΔS<0为自发反应知,现ΔH=+131.3 kJ·mol-1,ΔS=+133.7 J·mol-1·K-1=0.1337 kJ·mol-1·K-1,解得在T>≈982.0 K时该反应能自发进行,由此可知该反应在低温下不能自发进行。 已知在100 kPa、298.15 K时石灰石会发生分解反应: CaCO3(s)CaO(s)+CO2(g)　ΔH=+178.2 kJ·mol-1 ΔS=+169.6 J·mol-1·K-1,则: (1)298.15 K时,该反应　　　(填“能”或“不能”,下同)自发进行。  (2)据本题反应数据分析,温度　　　　成为反应方向的决定因素。  (3)若温度能决定反应方向,则该反应自发进行的最低温度为　　　　。  答案　(1)不能 (2)能 (3)1050.7 K 解析　(1)ΔG=ΔH-TΔS=17