微项目2 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（课件PPT）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中化学选择性必修1（鲁科版2019）

化学反应的方向、限度与速率 第2章 微项目2　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 (1)设计以二氧化碳为原料合成甲醇的化学反应，利用焓变、熵变知识判断所设计的反应能否在一定条件下正向自发进行，利用化学平衡、反应速率的知识选择和优化自发反应的反应条件。 (2)对于选定的反应，在初步判断其可以在一定温度和压强下正向自发进行后，还需要结合理论分析和实验数据，选择适宜的反应条件，促进主反应，抑制副反应，以尽可能高效地获得预期产物。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 注意　反应条件为温度298 K，各气体分压100 kPa 利用“ΔH—TΔS判据”判断反应自发进行的方向，反应①是放热的熵减小反应，降低温度可促进反应正向自发进行；反应②是吸热的熵减小反应，任何温度下都不能正向自发进行，故我们利用反应①合成甲醇。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 2．选择适宜的反应条件 (1)反应物的物质的量之比对反应的影响 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 注意　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。 直接利用废气作为原料，二氧化碳的浓度是相对固定的，通过增大氢气的浓度来提高二氧化碳的转化率，提高甲醇的产率。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L (2)压强和温度对甲醇产率的影响 ①反应①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)的Δvg<0，增大压强，有利于该反应的平衡正向移动，提高甲醇的产率。 ②反应①的ΔH<0，升温不利于该反应的正向进行，温度越高，甲醇的产率越低。在实验条件下，升高温度时甲醇产率先提高再降低，当温度达到523 K时甲醇产率最高。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L (3)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 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 注意　(1)反应条件为n(H2)∶n(CO2)＝3，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)甲醇产率单位[g·(kg－催化剂)－1·h－1]：单位质量催化剂在单位时间内所获得的产物量；该单位多称为时空收率，常用于评价催化剂活性。 ①催化剂的活性受到组成、温度、压强等因素影响，改变催化剂的组成，可以较有效地提高甲醇的产率和选择性。 ②事实表明，较高的n(H2)∶n(CO2)、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于甲醇合成。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 1．在为化工生产选择适宜的反应条件时，你认为需要从哪些角度进行综合分析？ 提示　在为化工生产选择适宜的反应条件时，要综合考虑反应速率、平衡移动方向、反应物转化率、产物产率、催化剂活性等。 2．在考虑调控反应体系中各组分浓度、使平衡正向移动时，需要考虑哪些问题？ 提示　在考虑调控反应体系中各组分浓度、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。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 已知：①CO和H2的摩尔燃烧焓分别为283.0 kJ·mol－1和285.8 kJ·mol－1 ②H2O(l)===H2O(g)　ΔH3＝44.0 kJ·mol－1 请回答(不考虑温度对ΔH的影响)： (1)反应Ⅰ的平衡常数表达式K＝_______；反应Ⅱ的ΔH2＝_______kJ·mol－1。 (2)有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有________。 A．使用催化剂Cat.1 B．使用催化剂Cat.2 C．降低反应温度 D．投料比不变，增加反应物的浓度 E．增大CO2和H2的初始投料比 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L (3)表中实验数据表明，在相同温度下不同的催化剂对CO2转化为CH3OH的选择性有显著的影响，其原因是 ________________________________________________________________ ________________________________________________________________。 (4)在下图中分别画出反应Ⅰ在无催化剂、有Cat.1和有Cat.2三种情况下“能量—反应过程”示意图。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L (2)使用催化剂对平衡移动无影响，不能提高反应物的平衡转化率；降低温度，反应正向移动，可提高CO2的转化率；投料比不变，增加反应物的浓度，平衡正向移动，可提高CO2的转化率；增大CO2和H2的初始投料比可提高H2的平衡转化率，但CO2的平衡转化率会降低。 (3)表中实验数据表明，在相同温度下，使用不同的催化剂，CO2的转化率不同，说明不同的催化剂催化能力不同；催化剂相同时，温度不同，CO2的转化率不同，且温度高的转化率大，因为正反应为放热反应，说明表中数据是未达平衡的数据。 (4)由表中数据知使用催化剂Cat.2时甲醇的选择性高，说明反应进行速率快，反应所需活化能低，但催化剂对平衡移动无影响，对反应焓变无影响，只是活化能改变，结合反应为放热反应可得反应过程与能量变化图。 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 返回导航 第2章　化学反应的方向、限度与速率 化学　选择性必修1　L 1．选择合适的化学反应 利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇，选取常见的氢气或水作为氢源，设计出两个反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋eq \f(3,2)O2(g) 两个反应的焓变、熵变数值如下表： 反应 ΔH/(kJ·mol－1) ΔS/(J·mol－1·K－1) ① －48.97 －177.16 ② ＋676.48 －43.87 　催化还原CO2是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化剂存在下，CO2和H2可发生两个平行反应，分别生成CH3OH和CO。反应的热化学方程式如下： CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　　　　　ΔH1＝－53.7 kJ·mol－1　Ⅰ　　　　　　 CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　　　　ΔH2　　　　Ⅱ 某实验室控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2，在相同压强下，经过相同反应时间测得如下实验数据： T(K) 催化剂 CO2转化率(%) 甲醇选择性(%) 543 Cat.1 12.3 42.3 543 Cat.2 10.9 72.7 553 Cat.1 15.3 39.1 553 Cat.2 12.0 71.6 备注　Cat.1：Cu/ZnO纳米棒；Cat.2：Cu/ZnO纳米片；甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇的百分比。 解析　(1)根据平衡常数的定义，反应Ⅰ的平衡常数K＝eq \f(cCH3OH·cH2O,cCO2·c3H2)；利用已知①可写出两个热化学方程式：CO(g)＋eq \f(1,2)O2(g)===CO2(g)　ΔH＝－283.0 kJ·mol－1③、H2(g)＋eq \f(1,2)O2(g)===H2O(l)　ΔH＝－285.8 kJ·mol－1④，再结合② H2O(l)===H2O(g)　ΔH3＝44.0 kJ·mol－1，依据盖斯定律，由④－③＋②可得：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2＝(－285.8 kJ·mol－1)－(－283.0 kJ·mol－1)＋44.0 kJ·mol－1＝＋41.2 kJ·mol－1。 答案　(1)eq \f(cCH3OH·cH2O,cCO2·c3H2)　＋41.2　(2)CD (3)表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响 (4) $$