人教版高中化學選擇性必修1第二章課題以“工業(yè)廢氣中的CO2為碳源制取甲醇”為載體解決速率和平衡問題課件

情境活動課課題以“工業(yè)廢氣中的CO2為碳源制取甲醇”為載體解決速率和平衡問題第二章

化學反應(yīng)速率與化學平衡我國提出爭取在2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和，這對于改善環(huán)境、實現(xiàn)綠色發(fā)展至關(guān)重要。因此，研發(fā)CO2利用技術(shù)、降低空氣中CO2含量成為化學科學家研究的熱點。利用工業(yè)廢氣中的CO2可制取甲醇，二氧化碳是工業(yè)廢氣中的常見物質(zhì)，有關(guān)二氧化碳的綜合開發(fā)利用越來越受到人們的關(guān)注。甲醇(CH3OH)是一種基礎(chǔ)有機化工原料，廣泛應(yīng)用于有機合成、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、高分子等化工生產(chǎn)領(lǐng)域，如果能利用含有二氧化碳的工業(yè)廢氣為碳源合成甲醇，既可為減少二氧化碳的排放提供一種良好的解決方法，又可為甲醇的合成提供一條綠色新途徑，意義重大。在一容積為2L的密閉容器內(nèi)加入2mol的CO和6mol

的H2，在一定條件下發(fā)生如下反應(yīng)：CO(g)＋2H2(g)??CH3OH(g)

ΔH＜0。該反應(yīng)的逆反應(yīng)速率與時間的關(guān)系如圖所示：影響化學反應(yīng)速率和化學平衡的因素活動1

由圖可知反應(yīng)在t1、t3、t7時都達到了平衡，而在t2、t8時都改變了條件，試判斷t2、t8時改變的條件可能是什么？[提示]

t2時改變的條件為升高溫度或增加CH3OH濃度；t8時為加入催化劑?；顒?

若t4時降壓，t5時達到平衡，t6時增大反應(yīng)物的濃度，請在圖中畫出t4～t6時逆反應(yīng)速率與時間的關(guān)系曲線。[提示]

活動3

若容器容積不變，哪些措施可增大甲醇產(chǎn)率？[提示]

降低溫度、增大壓強、將CH3OH從體系中分離等?；顒?

工業(yè)上可利用CO或CO2來生產(chǎn)燃料甲醇。已知制備甲醇的有關(guān)化學反應(yīng)以及在不同溫度下的化學反應(yīng)平衡常數(shù)如表所示：化學平衡常數(shù)的應(yīng)用化學反應(yīng)平衡常數(shù)溫度/℃500800①2H2(g)＋CO(g)??CH3OH(g)K12.50.15②H2(g)＋CO2(g)??H2O(g)＋CO(g)K21.02.50③3H2(g)＋CO2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)K3

(1)據(jù)反應(yīng)①與②可推導出K1、K2與K3之間的關(guān)系，則K3＝________(用K1、K2表示)。

(2)反應(yīng)③為吸熱反應(yīng)還是放熱反應(yīng)？(3)500℃時測得反應(yīng)③在某時刻H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的濃度(mol·L-1)分別為0.8、0.1、0.3、0.15，判斷此時反應(yīng)v正和v逆的大小關(guān)系。

活動2

為探究用CO2生產(chǎn)燃料CH3OH的反應(yīng)原理，現(xiàn)進行如下實驗：在T

℃時，向2L恒容密閉容器中充入1molCO2和3molH2，進行題述反應(yīng)，10min時反應(yīng)達到平衡，0～10min內(nèi)，H2的反應(yīng)速率為0.09mol·L-1·min-1。該溫度下的平衡常數(shù)K＝________(保留三位有效數(shù)字)。

化學反應(yīng)進行的方向反應(yīng)ΔH/(kJ·mol-1)ΔS/(J·mol-1·K-1)①－48.97－177.16②＋676.48－43.87活動請判斷以上兩個反應(yīng)在273K時能否自發(fā)進行。[提示]

反應(yīng)①，ΔH－TΔS＝－48.97kJ·mol-1－273K×(－0.17716kJ·mol-1·K-1)≈－0.61kJ·mol-1＜0，故反應(yīng)能自發(fā)進行。反應(yīng)②，ΔH－TΔS＝＋676.48kJ·mol-1－273K×(－0.04387kJ·mol-1·K-1)≈＋688.46kJ·mol-1>0，故反應(yīng)不能自發(fā)進行。熱化學法將CO2轉(zhuǎn)化為甲醇。CO2催化加氫主要反應(yīng)：反應(yīng)Ⅰ.CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)

ΔH1＝－49.4kJ·mol-1反應(yīng)Ⅱ.CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)

ΔH2＝＋41.2kJ·mol-1工業(yè)生產(chǎn)條件的選擇

[提示]

反應(yīng)Ⅰ為放熱反應(yīng)，反應(yīng)Ⅱ為吸熱反應(yīng)，隨著溫度升高，反應(yīng)Ⅰ向逆反應(yīng)方向進行，甲醇的選擇性降低，反應(yīng)Ⅱ向正反應(yīng)方向進行，CO的選擇性增大，則曲線①代表CH3OH的選擇性，曲線②表示不同溫度下CO2轉(zhuǎn)化率?；顒?

比較壓強

p1和p2的大??？[提示]

反應(yīng)Ⅰ是反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量減少的反應(yīng)，反應(yīng)Ⅱ是反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變的反應(yīng)，相同溫度下，增大壓強，有利于反應(yīng)Ⅰ向正反應(yīng)方向進行，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，根據(jù)圖像可知，p1＞p2?；顒?

溫度高于250℃，曲線②或曲線③上升的原因是什么？[提示]

溫度高于250℃，曲線②、③上升且逐漸接近，說明此時反應(yīng)以反應(yīng)Ⅱ為主。1．將CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH等有機物是資源化利用CO2的途徑之一。已知：ⅰ.主反應(yīng)為CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)

ΔH1＝－49kJ·mol-1；ⅱ.副反應(yīng)為CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)

ΔH2＝akJ·mol-1。(1)CO催化加氫也可得到氣態(tài)甲醇，寫出該反應(yīng)的熱化學方程式：__________________________________________________________。CO(g)＋2H2(g)===CH3OH(g)

ΔH＝－(49＋a)kJ·mol-1(2)在恒溫恒壓條件下，向密閉容器中通入3molH2(g)、1molCO2(g)，CO2(g)的平衡轉(zhuǎn)化率及CH3OH(g)的平衡產(chǎn)率隨溫度的變化如圖所示。①一定溫度下，CH3OH的平衡產(chǎn)率小于CO2的平衡轉(zhuǎn)化率的原因是________________________，由此知a________0(填“>”或“＜”)。②T1K前后，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率先降低后升高，原因是_______(填字母)。A．T1K前反應(yīng)沒有達到平衡，T1K后反應(yīng)達到平衡B．T1K前以反應(yīng)ⅰ為主，T1K后以反應(yīng)ⅱ為主C．反應(yīng)ⅰ、ⅱ在T1K前生成CO2，在T1K后消耗CO2有一部分CO2轉(zhuǎn)化為CO＞B

0.092.08[解析]

(1)①CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(g)＋H2O(g)

ΔH1＝－49kJ·mol-1②CO2(g)＋H2(g)??CO(g)＋H2O(g)

ΔH2＝akJ·mol-1由蓋斯定律①－②得CO(g)＋2H2(g)??CH3OH(g)

ΔH＝(－49－a)kJ·mol-1(2)①隨溫度升高，副反應(yīng)(反應(yīng)ⅱ)反應(yīng)程度逐漸增大，有一部分CO2轉(zhuǎn)化為CO，即CO產(chǎn)率增大，故a>0。②A.圖像上的點均為平衡點，故A錯誤；B.T1K前以反應(yīng)ⅰ為主，升溫CO2轉(zhuǎn)化率減小，T1K后以反應(yīng)ⅱ為主，升溫，平衡右移，CO2轉(zhuǎn)化率增大，故B正確；C.T1K前也有CO2消耗，只是消耗量小于生成量，T1K后為消耗量大于生成量，故C錯誤。

(2)寫出一種提高NH3產(chǎn)率的方法：____________________________。462及時分離出氨(或其他合理答案)(3)恒溫恒容下，向密閉容器中充入一定量的N2和H2，則下列條件中一定能判斷該反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的是______(填字母)。a．N2和NH3的濃度相等b．NH3的生成速率是N2的消耗速率的2倍c．容器中氣體的平均摩爾質(zhì)量不變d．NH3的百分含量保持不變cd(4)向一密閉容器中充入1molN2和3molH2發(fā)生合成氨反應(yīng)，平衡時，NH3的體積分數(shù)隨壓強和溫度的變化如圖所示。①p