高三化學一輪復習 探究化學反應(yīng)的方向與調(diào)控++課件

-------------以工業(yè)廢氣CO2合成甲醇為例探究化學反應(yīng)的方向與調(diào)控教學目標1.以工業(yè)廢氣CO2為碳源合成甲醇為例，從平衡、速率、副反應(yīng)和實際生產(chǎn)等多個角度對反應(yīng)進行調(diào)控，形成、解決工業(yè)生產(chǎn)實際問題的基本思路。2.樹立綠色化學理念，認識到利用化學反應(yīng)將無用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)是解決環(huán)境問題的重要途徑之一。??科學探究與創(chuàng)新意識、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知??科學態(tài)度與社會責任環(huán)節(jié)一情境引入——以工業(yè)廢氣CO2合成甲醇【資料卡片】甲醇是一種重要的有機化工原料和清潔燃料，傳統(tǒng)上通過石油裂解和煤制備，而利用CO2直接轉(zhuǎn)化為甲醇，既可以減排CO2，又可以實現(xiàn)人類不依賴于化石能源的限制。環(huán)節(jié)二設(shè)計化學反應(yīng)1.在298K，100kPa條件下，兩個反應(yīng)的焓變、熵變?nèi)缦?，哪個反應(yīng)適宜于甲醇的工業(yè)生產(chǎn)？CO2(g)＋3H2(g)?CH3OH(g)＋H2O(g)

CO2(g)＋2H2O(g)?CH3OH(g)＋3/2O2(g)

ΔH=－48.97kJ·mol－1 ΔS=－177.16J·mol－1·K－1ΔH=＋676.48kJ·mol－1 ΔS=－43.87J·mol－1·K－1CO2CH3OHH2、

H2OH2是常見的還原劑，而H2O難以被氧化?！舅季S角度2】反應(yīng)的方向【思維角度1】元素觀、守恒觀ΔG=ΔH－TΔS<0教學任務(wù)一環(huán)節(jié)三選擇反應(yīng)條件1.研究發(fā)現(xiàn)，以CO2和H2為原料合成甲醇時，通常還伴隨著以下副反應(yīng)：CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.17kJ·mol-1分別從速率、平衡角度考慮，應(yīng)如何選擇反應(yīng)條件，以提高甲醇產(chǎn)率？完成學案。教學任務(wù)二角度影響因素選擇條件化學平衡

化學反應(yīng)速率溫度、濃度、壓強低溫、增加原料濃度/高壓溫度、濃度、壓強、催化劑高溫、增加原料濃度/高壓、使用催化劑

副反應(yīng):CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.17kJ·mol-1主反應(yīng):CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-48.97kJ·mol-1小組討論小組討論【實驗數(shù)據(jù)】1.為增大CO2轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)過程中盡可能多地補充H2，是否合理？選擇合適的n(H2)/n(CO2)，并說明原因。2.觀察圖像，選擇合適的反應(yīng)壓強，并說明原因?！緩臐舛?壓強因素考慮】環(huán)節(jié)四分析實驗數(shù)據(jù)，確定適宜的反應(yīng)條件副反應(yīng):CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.17kJ·mol-1主反應(yīng):CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-48.97kJ·mol-1教學任務(wù)三原料利用：原料來源，成本實際生產(chǎn)：材料，設(shè)備...注：工業(yè)生產(chǎn)上一般采取投料總量恒定，保證總壓強不變，通過改變投料比的措施來改變產(chǎn)品品質(zhì)。【從溫度因素考慮】小組討論小組討論1.為何圖像中溫度升高，實際產(chǎn)率呈先升高后降低的趨勢？2.選擇合適的反應(yīng)溫度，并說明原因?副反應(yīng):CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.17kJ·mol-1主反應(yīng):CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-48.97kJ·mol-1溫度升高：速率加快溫度升高：主反應(yīng)逆向移動促進副反應(yīng)催化劑活性降低催化劑活性溫度范圍通常為240～250℃環(huán)節(jié)四分析實驗數(shù)據(jù)，確定適宜的反應(yīng)條件【實驗數(shù)據(jù)】教學任務(wù)三速率和平衡(一致性和矛盾性)、催化劑活性、主副反應(yīng)調(diào)控把握主次矛盾【從催化劑因素考慮】小組討論小組討論1.選擇合適的催化劑？并說明原因。組成(質(zhì)量分數(shù)/％)CH3OH產(chǎn)量/[g(kg-催化劑-1·h-1)]選擇性/%1組:CuO/Al2O378402組:CuO/ZnO/ZrO296883組:CuO/ZnO/ZrO2(3.6)/MnO(4)881004組:CuO/ZnO/ZrO2(5.6)/MnO(2)13891注：甲醇產(chǎn)量/[g·(kg-催化劑-1·h-1)

]:單位質(zhì)量催化劑在單位時間內(nèi)所獲得的產(chǎn)物質(zhì)量；常用于評價催化劑活性。環(huán)節(jié)四分析實驗數(shù)據(jù)，確定適宜的反應(yīng)條件【實驗數(shù)據(jù)】教學任務(wù)三催化劑的活性對溫度的限制副反應(yīng):CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.17kJ·mol-1主反應(yīng):CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-48.97kJ·mol-110~30MPa400℃~500℃鐵觸媒溫度壓強催化劑鐵觸媒活性在500℃最佳，且反應(yīng)速率快壓強過大對設(shè)備要求高，選擇適宜的壓強n(N2)/n(H3)=1:3分離出液氨未反應(yīng)的N2和H3N2(g)+3H2(g)?2NH3

ΔH＜0雙層反應(yīng)釜環(huán)節(jié)五綜合優(yōu)化條件教學任務(wù)四閱讀教材P45-47，總結(jié)工業(yè)合成氨的分析模型，借鑒此模型，綜合優(yōu)化合成甲醇的條件。理論分析：低溫、高壓5MPa240~250℃不同組分的(CuO/ZnO/ZrO2/MnO)溫度壓強催化劑催化劑活性在240~250℃最佳，且反應(yīng)速率快壓強過大對設(shè)備要求高，選擇適宜的壓強n(H2)/n(CO2)=3:1分離出液化甲醇未反應(yīng)的H2和CO2CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH＜0CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH＞0環(huán)節(jié)五綜合優(yōu)化條件教學任務(wù)四閱讀教材P45-47，總結(jié)工業(yè)合成氨的分析模型，借鑒此模型，綜合優(yōu)化合成甲醇的條件。理論分析：低溫、高壓不同壓強下，按照n(CO2):n(H2)=1:3投料，實驗測定CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和CH3OH的平衡產(chǎn)率隨溫度的變化關(guān)系如圖所示。(3)其中縱坐標表示CO2平衡轉(zhuǎn)化率的是圖

(填“甲”或“乙”)；壓強P1、P2、P3由大到小的順序為_________；T1溫度時，三條曲線幾乎交于一點的原因是________。乙（2020·山東）探究CH3OH合成反應(yīng)化學平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產(chǎn)率。以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應(yīng)如下：Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5kJ·mol-1Ⅱ.CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g) ΔH2=-90.4kJ·mol-1Ⅲ.CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g) ΔH3=+40.9kJ·mol-1溫度升高，Ⅰ、Ⅱ反應(yīng)逆向移動，Ⅲ反應(yīng)正向移動。T1時以反應(yīng)III為主，反應(yīng)III前后分子數(shù)相等，壓強改變對平衡沒有影響P1>P2>P3副反應(yīng)副反應(yīng)

真題探究(4)為同時提高CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和CH3OH的平衡產(chǎn)率，應(yīng)選擇的反應(yīng)條件為_________(填標號)。A.低溫、高壓

B.高溫、低壓

C.低溫、低壓

D.高溫、高壓A分析多元平衡體系答題模板分析平衡移動，研究反應(yīng)特征。明確產(chǎn)物變化，把握主導反應(yīng)。（2022·海南卷）某空間站的生命保障系統(tǒng)功能之一是實現(xiàn)氧循環(huán)，其中涉及反應(yīng)：(3)在相同條件下，CO2(g)和H2(g)還會發(fā)生不利于氧循環(huán)的副反應(yīng)：CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)在反應(yīng)器中按n(CO2):n(H2)=1:4通入反應(yīng)物，在不同溫度、不同催化劑條件下，反應(yīng)進行到2

min時，測得反應(yīng)器中，CH3OH和CH4濃度()如下表所示：催化劑t=350℃t=400℃c(CH3OH)c(CH4)c(CH3OH)c(CH4)催化劑Ⅰ10.812722345.242780催化劑Ⅱ9.2107753438932若某空間站的生命保障系統(tǒng)實際選擇使用催化劑Ⅱ和400℃的反應(yīng)條件，原因是

。相同催化劑，400℃的反應(yīng)速率更快，相同溫度，催化劑Ⅱ副產(chǎn)物濃度低，甲烷與甲醇比例高

真題探究1.（2020·浙江卷）研究CO2氧化C2H6制C2H4對資源綜合利用有重要意義。

相關(guān)的主要化學反應(yīng)有：Ⅰ:C2H6(g)

?C2H4(g)+H2(g)ΔH1>0Ⅱ:C2H6(g)+CO2(g)

?C2H4(g)+H2O(g)+CO(g)ΔH2>0Ⅲ:C2H6(g)+2CO2(g)

?4CO(g)+3H2(g)ΔH3>0CO2和C2H6按物質(zhì)的量1:1投料，在923K和保持總壓恒定的條件下，研究催化劑X對“CO2氧化C2H6制C2H4”的影響，所得實驗數(shù)據(jù)如下表：催化劑轉(zhuǎn)化率C2H6%轉(zhuǎn)化率CO2％產(chǎn)率C2H4%催化劑X19.037.63.3①結(jié)合具體反應(yīng)分析，在催化劑X作用下，CO2氧化C2H6的主要產(chǎn)物是______，

判斷依據(jù)是

。②采用選擇性膜技術(shù)（可選擇性地讓某氣體通過而離開體系）可提高C2H4的選擇性（生成C2H4的物質(zhì)的量與消耗C2H6的物質(zhì)的量之比）。在773K，乙烷平衡轉(zhuǎn)化率為9.1%，保持溫度和其他實驗條件不變，采用選擇性膜技術(shù)，乙烷轉(zhuǎn)化率可提高到11.0%。結(jié)合具體反應(yīng)說明乙烷轉(zhuǎn)化率增大的原因是