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1.1.化学反应方向的判据化学反应方向的判据(1)(1)焓判据焓判据:放热过程中体系能量放热过程中体系能量_,H_0,_,H_0,具有自发进行的倾向具有自发进行的倾向,但有些但有些吸热反应也可以自发进行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。故只用焓变判断反应方向不全面。(2)(2)熵判据熵判据:体系的混乱度体系的混乱度_,_,即熵增即熵增,S0,S0,反应有自发进行的倾向反应有自发进行的倾向,但有但有些熵减的过程也可能自发进行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。故只用熵变来判断反应
2、方向也不全面。必备知识必备知识素养奠基素养奠基降低降低 增加增加(3)(3)复合判据复合判据2.2.外界条件对化学平衡的影响外界条件对化学平衡的影响若其他条件不变若其他条件不变,改变下列条件对化学平衡的影响如下改变下列条件对化学平衡的影响如下:条件的改变条件的改变(其他条件不变其他条件不变)化学平衡的移动化学平衡的移动浓度浓度增大反应物浓度或减小生成物浓度增大反应物浓度或减小生成物浓度向向_方向移动方向移动减小反应物浓度或增大生成物浓度减小反应物浓度或增大生成物浓度向向_方向移动方向移动正反应正反应逆反应逆反应条件的改变条件的改变(其他条件不变其他条件不变)化学平衡的移动化学平衡的移动压强压强
3、(对有对有气体存在气体存在的反应的反应)反应前后气体反应前后气体分子数改变分子数改变增大压强增大压强向向_的方向移动的方向移动减小压强减小压强向向_的方向移动的方向移动反应前后气体反应前后气体分子数不变分子数不变改变改变压强压强_温度温度升高温度升高温度向向_反应方向移动反应方向移动降低温度降低温度向向_反应方向移动反应方向移动催化剂催化剂使用催化剂使用催化剂_气体体积减小气体体积减小气体体积增大气体体积增大平衡不移动平衡不移动吸热吸热放热放热平衡不移动平衡不移动3.3.外界因素对化学反应速率的影响外界因素对化学反应速率的影响影响因素影响因素影响结果影响结果(其他条件不变其他条件不变)浓度浓度
4、固体或固体或纯液体纯液体浓度为常数浓度为常数,增加反应物的量增加反应物的量,反应速率反应速率_(_(固固体物质的表面积影响反应速率体物质的表面积影响反应速率)气体或气体或溶液溶液增大反应物的浓度增大反应物的浓度,反应速率反应速率_温度温度升温升温反应速率反应速率_降温降温反应速率反应速率_催化剂催化剂使用催化剂能同时同倍改变正、逆反应的速率使用催化剂能同时同倍改变正、逆反应的速率不变不变加快加快加快加快减慢减慢影响因素影响因素影响结果影响结果(其他条件不变其他条件不变)压强压强加压加压(缩小体积缩小体积)对有气体参加的反应对有气体参加的反应,正、逆反应速率均正、逆反应速率均_减压减压(扩大体积
5、扩大体积)对有气体参加的反应对有气体参加的反应,正、逆反应速率均正、逆反应速率均_加快加快减小减小【情境情境思考思考】自从自从20192019年年6 6月以来月以来,北半球正在遭遇一场破纪录的高温。就连原本寒冷的北极北半球正在遭遇一场破纪录的高温。就连原本寒冷的北极地区也遭遇了地区也遭遇了100100多场野火的肆虐。全球变暖的罪魁祸首是工业废气中多场野火的肆虐。全球变暖的罪魁祸首是工业废气中COCO2 2的排的排放放,因此有关因此有关COCO2 2的综合利用越来越受到人们的关注。而甲醇是一种重要的化工的综合利用越来越受到人们的关注。而甲醇是一种重要的化工原料原料,广泛用于有机合成、医药、农药、
6、燃料、高分子等领域。而且甲醇是一广泛用于有机合成、医药、农药、燃料、高分子等领域。而且甲醇是一种重要的清洁燃料。种重要的清洁燃料。如果用如果用COCO2 2来合成甲醇来合成甲醇,从元素守恒角度分析应该需要哪种元素从元素守恒角度分析应该需要哪种元素?请你写出一个制请你写出一个制取甲醇的化学方程式。取甲醇的化学方程式。提示提示:需要氢元素需要氢元素,CO,CO2 2+3H+3H2 2=CH=CH3 3OH+HOH+H2 2O O。关键能力关键能力素养形成素养形成项目活动项目活动1:1:选择合适的化学反应选择合适的化学反应利用利用COCO2 2合成甲醇合成甲醇,如果选取水或氢气作为氢源如果选取水或氢
7、气作为氢源,反应如下反应如下:COCO2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g)=CH(g)=CH3 3OH(g)+HOH(g)+H2 2O(g)O(g)COCO2 2(g)+2H(g)+2H2 2O(g)=CHO(g)=CH3 3OH(g)+OOH(g)+O2 2(g)(g)上述两个反应在常温常压下的焓变和熵变如下上述两个反应在常温常压下的焓变和熵变如下:反应反应H/(kJmolH/(kJmol-1-1)S/(JmolS/(Jmol-1-1KK-1-1)-48.97-48.97-177.16-177.16+676.48+676.48-43.87-43.8732【活动探究活动探究】1.1.分析
8、判断利用分析判断利用COCO2 2合成甲醇的两个反应能否正向自发进行合成甲醇的两个反应能否正向自发进行,应选用哪个反应合应选用哪个反应合成甲醇成甲醇?提示提示:反应的反应的H0,S0,H0,S0,因此在低温时因此在低温时H-TS0,H-TS0,S0,S0,S0,H0,S0,因此在高温时因此在高温时H-TS0,H-TS0,反应正向自发进行。反应正向自发进行。【思考讨论思考讨论】(1)(1)判断反应的正向自发进行的最高温度为多少判断反应的正向自发进行的最高温度为多少?提示提示:276.42K276.42K。H-TS0H-TS0反应才能自发进行反应才能自发进行,因此有因此有-48.97 kJmol-
9、48.97 kJmol-1-1-T-T(-177.16(-177.161010-3-3 kJmol kJmol-1-1KK-1-1)0,)0,解得解得T276.42KT276.42K。因此反应在温度低于。因此反应在温度低于276.42K276.42K时反应正向自发进行。时反应正向自发进行。(2)(2)判断反应的副反应正向自发进行的最低温度为多少判断反应的副反应正向自发进行的最低温度为多少?提示提示:978.37K978.37K。H-TS0H-TS0反应才能自发进行反应才能自发进行,因此有因此有+41.17kJmol+41.17kJmol-1-1-T-T(+42.08(+42.081010-3-
10、3 kJmol kJmol-1-1KK-1-1)0,)978.37KT978.37K。因此反应在温度高于。因此反应在温度高于978.37K978.37K时正向自发进行。时正向自发进行。【探究总结探究总结】反应能否自发进行的判断方法反应能否自发进行的判断方法(1)(1)当当H0H0时时,反应正向一定能自发进行。反应正向一定能自发进行。(2)(2)当当H0,S0,S0时时,反应正向一定不能自发进行。反应正向一定不能自发进行。(3)(3)当当H0,S0H0,S0,S0H0,S0时时,在高温下反应正向能自发进行。在高温下反应正向能自发进行。【迁移应用迁移应用】1.(20201.(2020银川高二检测银
11、川高二检测)用钌的配合物作催化剂用钌的配合物作催化剂,一定条件下可直接光催化分一定条件下可直接光催化分解解COCO2 2发生反应发生反应:2CO:2CO2 2(g)2CO(g)+O(g)2CO(g)+O2 2(g)(g)。下列有关焓变与熵变说法不正。下列有关焓变与熵变说法不正确的是确的是()A.A.该反应的该反应的S0S0B.B.该反应的该反应的H0H0,H0,S0,H0,能自发进行说明熵变的影响大能自发进行说明熵变的影响大于焓变于焓变,D,D正确。正确。2.(20202.(2020濮阳高二检测濮阳高二检测)下列说法不正确的是下列说法不正确的是()A.NaA.Na与与H H2 2O O的反应是
12、熵增的放热反应的反应是熵增的放热反应,该反应能自发进行该反应能自发进行B.B.某吸热反应能自发进行某吸热反应能自发进行,因此该反应是熵增反应因此该反应是熵增反应C.(NHC.(NH4 4)2 2COCO3 3在室温下就能自发的分解在室温下就能自发的分解,说明该反应的说明该反应的S0S0D.2NO(g)+2CO(g)=ND.2NO(g)+2CO(g)=N2 2(g)+2CO(g)+2CO2 2(g)(g)常温下能自发进行常温下能自发进行,说明该反应的说明该反应的H0H0S0的反应。的反应。3.(20203.(2020吴忠高二检测吴忠高二检测)下列对化学反应预测正确的是下列对化学反应预测正确的是(
13、)选项选项化学反应方程式化学反应方程式已知条件已知条件预测预测A AM(s)=X(g)+Y(s)M(s)=X(g)+Y(s)H0H0它是非自发反应它是非自发反应B BW(s)+xG(g)=2Q(g)W(s)+xG(g)=2Q(g)H0,H0H0【解析解析】选选B B。A A项项,H0,S0,H0,S0,高温下该反应能自发进行高温下该反应能自发进行;C;C项项,该反应该反应S0,S0,若使若使H-TS0,HH-TS0,H可能大于可能大于0 0也可能小于也可能小于0;D0;D项项,该反应该反应S0,S0,若常温下自发若常温下自发进行进行,则则H0H0才能使才能使H-TS0H-TS0。项目活动项目活
14、动2:2:选择适宜的反应条件选择适宜的反应条件通过上述的分析可以通过反应利用二氧化碳和氢气合成甲醇通过上述的分析可以通过反应利用二氧化碳和氢气合成甲醇,反应如下反应如下COCO2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g)=CH(g)=CH3 3OH(g)+HOH(g)+H2 2O(g)O(g)H=-48.97kJmolH=-48.97kJmol-1-1。【活动探究活动探究】1.1.利用所学知识分析如何提高反应的速率和甲醇的产率利用所学知识分析如何提高反应的速率和甲醇的产率?提示提示:提高提高COCO2 2和和H H2 2的浓度、加压、升高温度的浓度、加压、升高温度,使用催化剂均可以加快反应的速率
15、。使用催化剂均可以加快反应的速率。从化学平衡角度提高从化学平衡角度提高COCO2 2和和H H2 2的浓度、降低的浓度、降低CHCH3 3OHOH和和H H2 2O O的浓度、加压、降低温度的浓度、加压、降低温度均有利于化学平衡向右移动均有利于化学平衡向右移动,能够提高甲醇的产率。能够提高甲醇的产率。2.2.在一定条件下测得不同的在一定条件下测得不同的H H2 2和和COCO2 2投料比体系中甲醇的产率如下投料比体系中甲醇的产率如下:不同不同n(Hn(H2 2)n(CO)n(CO2 2)对反应的影响对反应的影响注注:为转化率为转化率,为产率为产率,反应条件为温度反应条件为温度553 K553
16、K、总压、总压2MPa,2MPa,无催化剂。无催化剂。n(Hn(H2 2)n(CO)n(CO2 2)2 23 35 57 7(CO(CO2 2)/%)/%11.6311.6313.6813.6815.9315.9318.7118.71(CH(CH3 3OH)/%OH)/%3.043.044.124.125.265.266.936.93从上述数据中你能得到什么结论从上述数据中你能得到什么结论?提示提示: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COCO2 2的转化率和的转化率和甲醇的产率。甲醇的产率。3.3.下图分别是压强和温度对反应中甲
17、醇产率的影响。下图分别是压强和温度对反应中甲醇产率的影响。(1)(1)在实际生产中是不是压强越大越好在实际生产中是不是压强越大越好?提示提示:不是。要考虑生产的实际不是。要考虑生产的实际,选择合适的压强选择合适的压强,如动力和设备的承受力等方如动力和设备的承受力等方面。面。(2)(2)请分析甲醇的产率在温度为请分析甲醇的产率在温度为523K523K时最高的原因。时最高的原因。提示提示:在在523K523K之前之前,随温度的升高反应速率加快随温度的升高反应速率加快,使甲醇产率增大使甲醇产率增大;超过超过523K523K时时,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。甲醇的产率降
18、低的原因可能是催化剂的活性降低、副反应的发生等。4.4.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。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催化剂组成改变对甲醇产率和选择性的影响组成组成CuO/CuO/(wt.%)(wt.%)ZnO/ZnO/(wt.%)(wt.%)AlAl2 2O O3 3/(wt.%)(wt.%)ZrOZrO2 2/(wt.%)(wt.%)MnO/MnO/(wt.%)(wt.%)(CH(CH3 3OH)/OH)/g(kg-g(kg-催化催化剂剂)-1-1hh-1-1 选择性选择性/%/%CuO/ZnO/CuO/Z
19、nO/AlAl2 2O O3 365.865.826.326.37.97.90 00 078784040CuO/ZnO/CuO/ZnO/ZrOZrO2 262.462.425.025.00 012.612.60 096968888CuO/ZnO/CuO/ZnO/ZrOZrO2 2/MnO/MnO65.865.826.626.60 03.63.64 48888100100CuO/ZnO/CuO/ZnO/ZrOZrO2 2/MnO/MnO65.865.826.626.60 05.65.62 21381389191注注:反应条件为反应条件为n(Hn(H2 2)n(CO)n(CO2 2)=3,)=3,
20、温度温度553 K,553 K,总压总压4MPa;wt.%:4MPa;wt.%:重量百分含量重量百分含量;选选择性择性:生成甲醇的二氧化碳在全部二氧化碳反应物中所占比例。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从表格中的数据能得出什么结论?提示提示:改变催化剂的组成改变催化剂的组成,可以有效地提高甲醇的产率和选择性。可以有效地提高甲醇的产率和选择性。【思考讨论思考讨论】(1)(1)压强的改变对反应的副反应有何影响压强的改变对反应的副反应有何影响?提示提示:从速率角度看从速率角度看,压强的改变会改变其反应速率压强的改变会改变其反应速率;但是由于此反应前后气体
21、但是由于此反应前后气体的系数相等的系数相等,因此压强的改变对平衡没有影响。因此压强的改变对平衡没有影响。(2)(2)在实际生产中适宜温度的选择原则是什么在实际生产中适宜温度的选择原则是什么?提示提示:在实际生产中温度的选择要考虑催化剂的催化活性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要使催化剂的活性最大。大。【探究总结探究总结】化工生产适宜条件选择的一般原则化工生产适宜条件选择的一般原则条件条件原则原则从化学反应速率分析从化学反应速率分析既不能过快既不能过快,又不能太慢又不能太慢从化学平衡移动分析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既要注意外界条件
22、对速率和平衡影响的一致性,又要注意二者影响的矛盾性又要注意二者影响的矛盾性从原料的利用率分析从原料的利用率分析增加易得廉价原料增加易得廉价原料,提高难得高价原料的利用提高难得高价原料的利用率率,从而降低生产成本从而降低生产成本从实际生产能力分析从实际生产能力分析如设备承受高温、高压能力等如设备承受高温、高压能力等从催化剂的使用活性分析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注意催化剂的活性对温度的限制【迁移应用迁移应用】1.(20201.(2020昆明高二检测昆明高二检测)低温脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物低温脱硝技术可用于处理废气中的氮氧化物,发生的发生的化学反应为化学反应为2
23、NH2NH3 3(g)+NO(g)+NO(g)+NO(g)+NO2 2(g)2N(g)2N2 2(g)+3H(g)+3H2 2O(g)O(g)H0H0H0【解析解析】选选C C。A A项项,非自发反应在一定条件下也能发生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自发反应进行的也不一定较快定较快,错误错误;B;B项项,石墨转化为金刚石石墨转化为金刚石,H0,H0,该反应是非自发进行的化学反应该反应是非自发进行的化学反应,错误错误;C;C项项,能量判据和熵判据组合而成的复合判据能量判据和熵判据组合而成的复合判据,只要只要H-TS0,H-TS0,H-TS0,反应就不能自发进行反应就不能自发
24、进行,正确正确;D;D项项,反应反应NHNH3 3(g)+HCl(g)(g)+HCl(g)=NH=NH4 4Cl(s)Cl(s)在低温下能自发进行在低温下能自发进行,H-TS0,H-TS0,从化学方程式知从化学方程式知TS0,TS0,说明说明H0,H0,错误。错误。【补偿训练补偿训练】(2020(2020盐城高二检测盐城高二检测)将煤气化后所得的重要产品之一是甲醇。其制备反应将煤气化后所得的重要产品之一是甲醇。其制备反应:CO(g)+2HCO(g)+2H2 2(g)CH(g)CH3 3OH(g)OH(g)H0H0。为了增加甲醇的产量。为了增加甲醇的产量,同时保证较高的同时保证较高的生产效率。工
25、厂应采取的正确措施是生产效率。工厂应采取的正确措施是()A.A.高温、高压高温、高压B.B.适宜温度、高压、催化剂适宜温度、高压、催化剂C.C.低温、低压、不断分离出甲醇低温、低压、不断分离出甲醇D.D.低温、高压、催化剂低温、高压、催化剂【解析解析】选选B B。H0H0表明此反应为放热反应表明此反应为放热反应,不能加太高的温度但温度不能太不能加太高的温度但温度不能太低低,温度太低反应速率太低温度太低反应速率太低;正反应方向是气体体积减小的方向正反应方向是气体体积减小的方向,所以可以加压所以可以加压使化学平衡正向移动使化学平衡正向移动;另外选择合适的催化剂加快反应速率。另外选择合适的催化剂加快
26、反应速率。2.(20202.(2020佛山高二检测佛山高二检测)以甲醇为原料在一定条件下合成乙烯以甲醇为原料在一定条件下合成乙烯,2CH,2CH3 3OH(g)OH(g)C C2 2H H4 4(g)+2H(g)+2H2 2O(g)O(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种催化剂,不同温度得到如下图象不同温度得到如下图象,则下列结论不正确的是则下列结论不正确的是世纪金榜导学世纪金榜导学号号()A.A.一段时间后甲醇反应率下降可能是催化剂活性下降一段时间后甲醇反应率下降可能是催化剂活性下降B.B.综合图综合图1 1、图
27、、图2 2可知可知,甲醇还发生了其他反应甲醇还发生了其他反应C.C.若改变甲醇蒸气的流速若改变甲醇蒸气的流速,不会影响甲醇反应率和乙烯产率不会影响甲醇反应率和乙烯产率D.D.制乙烯比较适宜的温度是制乙烯比较适宜的温度是450 450 左右左右【解析解析】选选C C。催化剂活性是受温度影响的催化剂活性是受温度影响的,温度太高温度太高,催化剂会失去活性催化剂会失去活性,故故A A正确正确;根据根据 2CH2CH3 3OH(g)COH(g)C2 2H H4 4(g)+2H(g)+2H2 2O(g),O(g),由图由图1 1知知450 450 时甲醇的反应速率时甲醇的反应速率比比400 400 快快,
28、图图2450 C2450 C2 2H H4 4(g)(g)的产率低于的产率低于400 400 的产率的产率,所以有其他反应发生所以有其他反应发生,故故B B正确正确;若改变甲醇蒸气的流速若改变甲醇蒸气的流速,甲醇反应率和乙烯产率都将改变甲醇反应率和乙烯产率都将改变,故故C C错错;由由图图2 2知知450 450 左右制乙烯产率比较高左右制乙烯产率比较高,故故D D正确。正确。3.(20203.(2020宁波高二检测宁波高二检测)工业上主要利用碳热还原重晶石制得硫化钡工业上主要利用碳热还原重晶石制得硫化钡,进而生进而生产各种钡化合物。如图为不同反应温度下产各种钡化合物。如图为不同反应温度下,实
29、验中碳热还原硫酸钡反应体系的实验中碳热还原硫酸钡反应体系的平衡组成随反应温度的变化关系。下列说法正确的是平衡组成随反应温度的变化关系。下列说法正确的是()A.A.约约150,150,体系中开始出现体系中开始出现BaS,BaS,说明温度越高反应速率越快说明温度越高反应速率越快B.400 B.400 时发生的化学反应方程式时发生的化学反应方程式:BaSO:BaSO4 4+2C BaS+2CO+2C BaS+2CO2 2C.COC.CO一定无法还原重晶石一定无法还原重晶石D.D.温度高于温度高于400 400 后后,硫酸钡才能转化为硫酸钡才能转化为BaSBaS=【解析解析】选选B B。根据图象。根据
30、图象,约在约在150 150 时时,体系中开始出现体系中开始出现BaS,BaS,说明反应在说明反应在150 150 开始反应开始反应,不能说明温度越高反应速率越快不能说明温度越高反应速率越快,故故A A错误错误;根据图象在根据图象在400 400 时时BaSOBaSO4 4物质的量分数为物质的量分数为0,C0,C的物质的量百分数减小的物质的量百分数减小,BaS,BaS物质的量百分数增大物质的量百分数增大,COCO2 2的物质的量分数增大的物质的量分数增大,因此因此400 400 时发生反应的反应物是时发生反应的反应物是BaSOBaSO4 4和和C,C,生成物是生成物是COCO2 2和和BaS,
31、BaS,反应方程式为反应方程式为BaSOBaSO4 4+2C BaS+2CO+2C BaS+2CO2 2,故故B B正确正确;根据图象根据图象400 400 时时,COCO的物质的量分数为的物质的量分数为0,0,结合加热时结合加热时C C与与COCO2 2反应生成反应生成CO,CO,则则COCO能还原能还原BaSOBaSO4 4,故故C C错错误误;根据图象根据图象,在在150 150 左右左右BaSOBaSO4 4转化成转化成BaS,BaS,故故D D错误。错误。=4.(20204.(2020长沙高二检测长沙高二检测)在一定条件下探究二甲醚的制备反应为在一定条件下探究二甲醚的制备反应为2CO
32、(g)+2CO(g)+4H4H2 2(g)CH(g)CH3 3OCHOCH3 3(g)+H(g)+H2 2O(g)O(g)H,H,测定结果如图所示。下列判断错误的是测定结果如图所示。下列判断错误的是()A.A.该反应的该反应的H0H0B.B.该反应伴随着副反应的发生该反应伴随着副反应的发生C.C.工业选择的较适宜温度为工业选择的较适宜温度为280280290 290 D.D.加入催化剂可以提高加入催化剂可以提高CHCH3 3OCHOCH3 3的产率的产率【解析解析】选选D D。由题图知。由题图知,随着温度升高随着温度升高,CO,CO的转化率降低的转化率降低,所以升高温度所以升高温度,平衡平衡逆
33、向移动逆向移动,则该反应是放热反应则该反应是放热反应,H0,A,H0,A项正确项正确;从图中可知从图中可知,CO,CO的转化率降低的转化率降低的同时的同时,CH,CH3 3OCHOCH3 3的产率在不同温度下差别大的产率在不同温度下差别大,即说明该反应伴随着副反应的发即说明该反应伴随着副反应的发生生,B,B项正确项正确;在在280280290 290 间间,CH,CH3 3OCHOCH3 3的产率很高的产率很高,工业选择的较适宜温度为工业选择的较适宜温度为280280290,C290,C项正确项正确;加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间加入催化剂可以改变反应达到平衡的时间,但不能提高但不能提高
34、CHCH3 3OCHOCH3 3的产率的产率,D,D项错误。项错误。5.(20205.(2020泰安高二检测泰安高二检测)甲醇是一种重要的试剂甲醇是一种重要的试剂,氢气和二氧化碳在一定条件氢气和二氧化碳在一定条件下可合成甲醇下可合成甲醇:CO:CO2 2(g)+3H(g)+3H2 2(g)CH(g)CH3 3 OH(g)+H OH(g)+H2 2O(g),O(g),在密闭容器中充入在密闭容器中充入3 mol3 mol氢气和氢气和1 mol1 mol二氧化碳二氧化碳,测得混合气体中甲醇的体积分数与温度的关系如图测得混合气体中甲醇的体积分数与温度的关系如图A A所所示示:试回答下列问题试回答下列问
35、题:世纪金榜导学号世纪金榜导学号(1)(1)该反应是该反应是_(_(填填“放热放热”或或“吸热吸热”)反应。该反应平衡常数的表达反应。该反应平衡常数的表达式是式是_,_,为了降低合成甲醇的成本可采用的措施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任意写一条合理的建议)(2)(2)解释解释0 0T T0 0内内,甲醇的体积分数变化趋势甲醇的体积分数变化趋势:_:_。(3)(3)氢气在氢气在Q Q点的转化率点的转化率_(_(填填“大于大于”“”“小于小于”或或“等于等于”,下同下同)氢气氢气在在W W点的转化率点的转化率;其他条件相同其他条件相同,甲醇在甲醇在Q Q点的正反应
36、速率点的正反应速率_甲醇在甲醇在M M点的点的正反应速率。正反应速率。(4)(4)图图B B表示氢气转化率表示氢气转化率(H(H2 2)与投料比与投料比 的关系的关系,请在图请在图B B中画出两条中画出两条变化曲线并标出曲线对应的条件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两条曲线对应的条件分别为一条曲线对应的压强是压强是1.011.0110105 5 Pa;Pa;另一条曲线对应的压强是另一条曲线对应的压强是3.033.0310105 5 Pa(Pa(其他条件相同其他条件相同)。22VHVCO（）（）【解析解析】(1)T(1)T0 0时时,升高温度升高温度,甲醇的体
37、积分数减小甲醇的体积分数减小,平衡逆向移动平衡逆向移动,正反应为放热正反应为放热反应反应;该反应平衡常数的表达式为该反应平衡常数的表达式为K=,K=,为了降低合成甲醇为了降低合成甲醇的成本的成本,应该尽可能的使平衡向右移动应该尽可能的使平衡向右移动,可采用的措施有增加可采用的措施有增加COCO2 2的充入量等的充入量等;(2)(2)温度低于温度低于T T0 0时时,反应未达到平衡反应未达到平衡,反应正向进行反应正向进行,使甲醇的体积分数逐渐增大使甲醇的体积分数逐渐增大;(3)(3)温度低于温度低于T T0 0时时,反应未达到平衡反应未达到平衡,反应正向进行反应正向进行,氢气在氢气在Q Q点的转
38、化率小于平衡点的转化率小于平衡时的转化率时的转化率,W,W点达到平衡点达到平衡,因此氢气在因此氢气在Q Q点的转化率小于点的转化率小于W W点的转化率点的转化率;平衡之前平衡之前,甲醇的正反应速率逐渐增大甲醇的正反应速率逐渐增大,甲醇在甲醇在Q Q点的正反应速率小于点的正反应速率小于W W点的反应速率点的反应速率,升高升高温度温度,反应速率增大反应速率增大,甲醇在甲醇在M M点的正反应速率大于点的正反应速率大于W W点点,因此甲醇在因此甲醇在Q Q点的正反应点的正反应速率小于在速率小于在M M点的正反应速率点的正反应速率;32322cCH OH cH OcHcCO平平平平（）（）（）（）(4)
39、(4)根据方程式根据方程式,增大压强增大压强,平衡正向移动平衡正向移动,氢气转化率氢气转化率(H(H2 2)增大增大,增大投料增大投料比比 ,氢气转化率氢气转化率(H(H2 2)减小减小,画出相应曲线。画出相应曲线。答案答案:(1)(1)放热放热K=K=增加增加COCO2 2的充入量的充入量(2)(2)温度低于温度低于T T0 0时时,反应未达到平衡反应未达到平衡,反应正向进行反应正向进行,使甲醇的体积分数逐渐增大使甲醇的体积分数逐渐增大(3)(3)小于小于小于小于32322cCH OH cH OcHcCO平平平平（）（）（）（）22VHVCO（）（）(4)(4)课题任务课题任务:丙烯腈生产条
40、件的选择丙烯腈生产条件的选择 【情境创设情境创设】聚丙烯腈纤维聚丙烯腈纤维(腈纶腈纶)广泛用来代替羊毛广泛用来代替羊毛,或与羊毛混纺制成毛织物等或与羊毛混纺制成毛织物等,可代替可代替部分羊毛制作毛毯和地毯等织物部分羊毛制作毛毯和地毯等织物,因此俗称人造羊毛。合成聚丙烯腈的单体是因此俗称人造羊毛。合成聚丙烯腈的单体是丙烯腈丙烯腈,丙烯腈是一种重要的有机合成单体丙烯腈是一种重要的有机合成单体,是多种有机高聚物的原料。是多种有机高聚物的原料。课题探究课题探究素养提升素养提升目前目前,工业上合成丙烯腈的主要方法是丙烯氨氧化法。主要分两步进行工业上合成丙烯腈的主要方法是丙烯氨氧化法。主要分两步进行:(1
41、)(1)丙烷脱氢制丙烯丙烷脱氢制丙烯;(2)(2)丙烯氨氧化生成丙烯腈。丙烯氨氧化生成丙烯腈。【素养解读素养解读】1.1.核心素养核心素养:(1)(1)变化观念与平衡思想变化观念与平衡思想:认识化学变化有一定限度、速率认识化学变化有一定限度、速率,是可以调控的。能是可以调控的。能多角度、动态地分析化学变化多角度、动态地分析化学变化,运用化学反应原理解决简单的实际问题。运用化学反应原理解决简单的实际问题。(2)(2)证据推理与模型认知证据推理与模型认知:建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。通过分析、建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关
42、系推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系,建立认知模型建立认知模型,并能运用模型解释化学现象并能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律。揭示现象的本质和规律。2.2.素养目标素养目标:通过丙烯腈生产条件的选择通过丙烯腈生产条件的选择,了解化学反应方向、限度、速率在化学生产中的了解化学反应方向、限度、速率在化学生产中的应用。应用。【素养探究素养探究】【探究一探究一】丙烷脱氢制丙烯反应的研究丙烷脱氢制丙烯反应的研究1.1.丙烷脱氢制丙烯时可能发生的反应如下丙烷脱氢制丙烯时可能发生的反应如下:主反应主反应:C C3 3H H8 8(g)=C(g)=C3 3H H6 6(g)+H(
43、g)+H2 2(g)(g)H=+125 kJmolH=+125 kJmol-1-1副反应副反应:C C3 3H H8 8(g)=C(g)=C2 2H H4 4(g)+CH(g)+CH4 4(g)(g)H=+81 kJmolH=+81 kJmol-1-1C C2 2H H4 4(g)+H(g)+H2 2(g)=C(g)=C2 2H H6 6(g)(g)H=-137 kJmolH=-137 kJmol-1-1C C3 3H H8 8(g)+H(g)+H2 2(g)=C(g)=C2 2H H6 6(g)+CH(g)+CH4 4(g)(g)H=-56 kJmolH=-56 kJmol-1-1(1)(1
44、)分析主反应和副反应正向能否自发进行。分析主反应和副反应正向能否自发进行。提示提示:根据根据H-TSH-TS可以判断可以判断,升高温度有利于主反应和副反应的自发进行升高温度有利于主反应和副反应的自发进行,而降温有利于副反应和的自发进行。而降温有利于副反应和的自发进行。(2)(2)工业生产中通常采用在反应体系中通入一定量的水蒸气工业生产中通常采用在反应体系中通入一定量的水蒸气,实验测得实验测得,常压下常压下丙烷脱氢的平衡转化率丙烷脱氢的平衡转化率y%y%与温度与温度T T、水烃比、水烃比M M的关系如图的关系如图:从图中可以得出什么结论从图中可以得出什么结论?提示提示:从图中的变化趋势从图中的变
45、化趋势,可以得出可以得出:相同温度下相同温度下,水烃比水烃比M M越大越大,丙烷的平衡转化率越高丙烷的平衡转化率越高;水烃比水烃比M M一定时一定时,温度越高温度越高,丙烷的平衡转化率越高。丙烷的平衡转化率越高。在实际的工业生产中应怎样利用上述结论在实际的工业生产中应怎样利用上述结论?提示提示:可以向体系中通入高温水蒸气的方式来提高丙烷的转化率。可以向体系中通入高温水蒸气的方式来提高丙烷的转化率。2.2.研究发现研究发现,随温度的升高随温度的升高,丙烷的平衡转化率提高丙烷的平衡转化率提高,但是丙烯的产率却降低但是丙烯的产率却降低,原原因可能是丙烷裂解加剧因可能是丙烷裂解加剧,从而使丙烯的选择性
46、降低从而使丙烯的选择性降低,同时生成单质碳附着在催化同时生成单质碳附着在催化剂表面而失活。通常剂表面而失活。通常,工业上采用向体系中加入氧化剂工业上采用向体系中加入氧化剂氧气或二氧化碳的氧气或二氧化碳的方式解决此问题。方式解决此问题。请你分析引入氧化剂请你分析引入氧化剂COCO2 2时时,对丙烷脱氢制丙烯有何影响对丙烷脱氢制丙烯有何影响?(?(注注:CO:CO2 2(g)+H(g)+H2 2(g)=(g)=CO(g)+HCO(g)+H2 2O(g)O(g)H=-41 kJmolH=-41 kJmol-1-1)提示提示:(1)(1)通入通入COCO2 2后会与体系内的后会与体系内的H H2 2发
47、生反应发生反应,从而降低氢气的浓度从而降低氢气的浓度,有利于提高有利于提高主反应的平衡转化率主反应的平衡转化率;(2)(2)在高温下在高温下COCO2 2可以与催化剂表面的碳反应可以与催化剂表面的碳反应,有利于催化剂活性的保持有利于催化剂活性的保持;(3)CO(3)CO2 2与与H H2 2的反应为放热反应的反应为放热反应,有利于降低能耗。有利于降低能耗。【探究二探究二】探究丙烯氨氧化法制丙烯腈探究丙烯氨氧化法制丙烯腈工业上可用工业上可用“丙烯氨氧化法丙烯氨氧化法”生产生产,主要副产物有丙烯醛主要副产物有丙烯醛(CH(CH2 2CHCHO)CHCHO)和乙腈和乙腈(CH(CH3 3CN)CN)
48、。反应如下。反应如下:C C3 3H H6 6(g)+NH(g)+NH3 3(g)+O(g)+O2 2(g)=C(g)=C3 3H H3 3N(g)+3HN(g)+3H2 2O(g)O(g)H=-515 kJmolH=-515 kJmol-1-1C C3 3H H6 6(g)+O(g)+O2 2(g)=C(g)=C3 3H H4 4O(g)+HO(g)+H2 2O(g)O(g)H=-353 kJmolH=-353 kJmol-1-11.1.两个反应在热力学上趋势均很大两个反应在热力学上趋势均很大,分析其原因。分析有利于提高丙烯腈平衡分析其原因。分析有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件有哪些产率的
49、反应条件有哪些?32提示提示:因为两个反应均为放热量大的反应因为两个反应均为放热量大的反应,所以热力学趋势大所以热力学趋势大;反应为气体体反应为气体体积增大的放热反应积增大的放热反应,所以降低温度、降低压强有利于反应正向进行所以降低温度、降低压强有利于反应正向进行,从而提高丙从而提高丙烯腈的平衡产率。烯腈的平衡产率。2.2.下图为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线下图为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线,分析丙烯腈的产率随温度变化的分析丙烯腈的产率随温度变化的原因。原因。提示提示:因为该反应为放热反应因为该反应为放热反应,平衡产率应随温度升高而降低平衡产率应随温度升高而降低,反应刚开始进行反应刚开始进
50、行,尚未达到平衡状态尚未达到平衡状态,460,460 以前是建立平衡的过程以前是建立平衡的过程,所以随温度的升高所以随温度的升高,丙烯腈丙烯腈的产率逐渐升高的产率逐渐升高;高于高于460 460 时时,丙烯腈产率降低。原因可能有丙烯腈产率降低。原因可能有:反应放热反应放热,平平衡产率应随温度升高而降低衡产率应随温度升高而降低;催化剂在一定温度范围内活性较高催化剂在一定温度范围内活性较高,若温度过高若温度过高,活性降低活性降低;根据题意根据题意,副产物有丙烯醛副产物有丙烯醛,副反应增多导致产率下降。副反应增多导致产率下降。3.3.丙烯腈和丙烯醛的产率与丙烯腈和丙烯醛的产率与n(n(氨氨)/n()
