微项目二 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇-【创新教程】2025-2026学年高中化学选择性必修1五维课堂同步课件PPT（鲁科版2019）

鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 鲁科化学·选择性必修一 微项目二　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 [项目活动目标] 通过以工业废气中二氧化碳为原料合成甲醇反应的自发性判断和条件选择，体会焓变、熵变、化学平衡和反应速率相关知识的应用价值。 在设计反应、判断方向性和选择条件的活动过程中，综合利用相关知识分析、解决有关问题，初步形成解决这类问题的一般思路并掌握有关的方法。 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。 [项目必备知识] 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　，ΔH　＜　0，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，ΔS>0，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。 ΔH－TΔSeq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(＜0，反应　正向能自发进行　,＝0，反应　达到平衡状态　,＞0，反应　正向不能自发进行　)) 2．外界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： 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 存在 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　 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　(固体物质的表面积影响反应速率) 气体或 溶液 增大反应物的浓度，反应速率　加快　 温度 升温 反应速率　加快　 降温 反应速率　减慢　 催化剂 使用催化剂能同时同倍改变正、逆反应的速率 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　减小　 [项目活动探究] [项目活动1]　判断所设计化学反应能否正向自发进行 [思考探究] 假设反应焓变和熵变的数值不随温度改变而发生显著变化，已知298 K,100 kPa时，有如下反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.97 kJ·mol－1　ΔS＝－177.16 J·mol－1·K－1 ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋eq \f(3,2)O2(g)　ΔH＝＋676.48 kJ·mol－1　ΔS＝－43.87 J·mol－1·K－1 ③CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1　ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1 1．请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？ 提示：反应①，ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·mol－1－298 K×(－0.17716) kJ·mol－1·K－1≈＋3.82 kJ·mol－1＞0，该反应属于放热熵减反应，降低温度时正向反应自发进行。 反应②，ΔH－TΔS＝＋676.48 kJ·mol－1－298 K ×(－0.043 87) kJ·mol－1·K－1＝＋689.55 kJ·mol－1＞0，该反应属于吸热熵减反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。 反应③，ΔH－TΔS＝＋41.17 kJ·mol－1－298 K×0.042 08 kJ·mol－1·K－1＝＋28.42 kJ·mol－1＞0，该反应属于吸热熵增反应，在高温下正向反应自发进行。 2．用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？ 提示：有反应①、③，其中反应③是较高温度时的副反应。 [探究总结] 反应能否自发进行的判断方法 (1)当ΔH＜0，ΔS＞0时，反应正向一定能自发进行。 (2)当ΔH＞0，ΔS＜0时，反应正向一定不能自发进行。 (3)当ΔH＜0，ΔS＜0时，在低温下反应正向能自发进行。 (4)当ΔH＞0，ΔS＞0时，在高温下反应正向能自发进行。 [项目活动2]　选择适宜的反应条件 通过上述的分析可以通过反应①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)　ΔH＝－48.97 kJ·mol－1。 [思考探究] 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2MPa，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①中甲醇产率的影响。 (1)在实际生产中是不是压强越大越好？ (2)请分析甲醇的产率为什么在523 K时最高？ (1)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)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.%) 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：反应条件为n(H2)∶n(CO2)＝3，温度553 K，总压4 MPa；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。 [讨论] 1．改变压强对反应①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。 [探究总结] 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 [项目成果展示] 设计化学反应来解决实际问题的一般思路 在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或设计试制新的化学品。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。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。 [项目活动评价] 1．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)eq \o(,\s\up17(催化剂),\s\do15(　))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ΔS＞0 B．该反应的ΔH＜0 C．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 解析：B　[该反应是一个气体分子数增多的反应，也就是一个熵增的反应，A正确。该反应是分解反应，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。虽然该反应的逆反应是熵减反应，但反应放热，一定条件下可以自发进行，C正确。该反应ΔS＞0，ΔH＞0，能自发进行说明熵变的影响大于焓变，D正确。] 2．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)eq \o(,\s\up17(180℃),\s\do15(催化剂))2N2(g)＋3H2O(g)　ΔH＜0。 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的物质的量比为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 解析：C　[由于该反应为放热反应，升高温度时，平衡左移，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，而另外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。] 3．一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气进行回收，使SO2转化生成S。催化剂不同，相同其他条件(浓度、温度、压强)情况下，相同时间内SO2的转化率随反应温度的变化如图，下列说法不正确的是(　　) A．不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3作催化剂可以节约能源 B．相同其他条件下，选择Cr2O3作催化剂，SO2的平衡转化率最小 C．a点后SO2的转化率减小的原因可能是温度升高，催化剂活性降低了 D．选择Fe2O3作催化剂，最适宜温度为340～380 ℃温度范围 解析：B　[根据图像可知，当温度在340 ℃时，在Fe2O3作催化剂条件下，反应先达到平衡，SO2的平衡转化率最大，A正确；相同其他条件下在260 ℃、300 ℃时，选择Cr2O3作催化剂，SO2的转化率均不是最小的，B错误；催化剂催化能力需要维持在一定的温度下，温度太高，催化剂活性可能会降低，C正确；340～380 ℃温度范围内，Fe2O3的催化能力最大，二氧化硫的转化率也是最大，反应速率最快，D正确。] 4.甲醇是一种重要的试剂，氢气和二氧化碳在一定条件下可合成甲醇：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(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O～T0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α(H2)与投料比eq \f(VH2,VCO2)的关系，请在图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1.01×105 Pa；另一条曲线对应的压强是3.03×105 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＝eq \f(c平CH3OH·c平H2O,c\o\al(3,平)H2·c平CO2)，为了降低合成甲醇的成本，应该尽可能的使平衡向右移动，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α(H2)增大，增大投料比eq \f(VH2,VCO2)，氢气转化率α(H2)减小，画出相应曲线。 答案：(1)放热　K＝eq \f(c平CH3OH·c平H2O,c\o\al(3,平)H2·c平CO2)　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) $$