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【探究任務(wù)一:方案設(shè)計】
(1)判斷所設(shè)計化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行
利用二氧化碳合成甲醇,還需要尋找氫源。如果選取常見的水或氫氣作為氫源,你可能設(shè)計出以下兩個反應(yīng)。
①CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)
②CO2(g)+2H2O(g)===CH3OH(g)+O2(g)
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反應(yīng)
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ΔH/(kJ·mol-1)
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ΔS/(J·mol-1·K-1)
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①
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-48.97
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-177.16
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②
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+676.48
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-43.87
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注:反應(yīng)條件為溫度298 K,各氣體分壓100 kPa。
請運(yùn)用焓變、熵變的相關(guān)知識,判斷以上兩個反應(yīng)能否正向自發(fā)進(jìn)行。
[提示] 反應(yīng)①,ΔH-TΔS=-48.97 kJ·mol-1-298 K×(-0.177 16 kJ·mol-1·K-1)≈3.82 kJ·mol-1>0,該反應(yīng)屬于放熱熵減反應(yīng),降低溫度時正向反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。
反應(yīng)②,ΔH-TΔS≈+676.48 kJ·mol-1-298 K×(-0.043 87 kJ·mol-1·K-1)=+689.55 kJ·mol-1>0,該反應(yīng)屬于吸熱熵減反應(yīng),在任何溫度下正向反應(yīng)均不自發(fā)進(jìn)行。
【探究任務(wù)二:選擇適宜的生產(chǎn)條件】
研究發(fā)現(xiàn),二氧化碳和氫氣反應(yīng)合成甲醇時,通常還伴隨發(fā)生以下副反應(yīng):
③CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g)
該反應(yīng)的焓變?yōu)椋?span lang="EN-US">41.17 kJ·mol-1、熵變?yōu)椋?span lang="EN-US">42.08 J·mol-1·K-1,為吸熱的熵增加反應(yīng)。由“ΔH-TΔS判斷”可知,高溫下該反應(yīng)能正向自發(fā)進(jìn)行。
對于選定的反應(yīng),在初步判斷其可以在一定溫度和壓強(qiáng)下正向自發(fā)進(jìn)行后,我們還需要結(jié)合理論分析和實驗數(shù)據(jù),選擇適宜的反應(yīng)條件,促進(jìn)主反應(yīng),抑制副反應(yīng),以盡可能高效率地獲得預(yù)期產(chǎn)物。
(2)為了提高甲醇的產(chǎn)率和反應(yīng)速率,減少副反應(yīng)的發(fā)生,在選擇適宜的反應(yīng)條件時,你會考慮哪些影響因素?這些因素可能對主反應(yīng)和副反應(yīng)產(chǎn)生什么影響?你預(yù)測的理論依據(jù)是什么?
[提示] 在選擇反應(yīng)條件時需要考慮溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等影響因素。
分析總壓的影響可知,對于Δνg<0的反應(yīng)①,增大總壓,有利于該反應(yīng)的平衡正向移動。但對于Δνg=0的副反應(yīng)③,總壓的改變不會使其平衡移動。因此,增大總壓,甲醇的產(chǎn)率會提高。從溫度角度看,升溫不利于放熱的主反應(yīng)①正向進(jìn)行,不利于該平衡的正向移動,但利于吸熱的副反應(yīng)③正向進(jìn)行,利于其平衡的正向移動。因此,溫度越高,甲醇的產(chǎn)率越低。
(3)綜合各方面的因素,為反應(yīng)①選擇適宜的反應(yīng)條件。以真實的工業(yè)生產(chǎn)為目標(biāo),你還可以提出哪些手段提高甲醇的產(chǎn)率?
[提示] 配置二氧化碳富集裝置、甲醇與水的分離裝置,以及副產(chǎn)物一氧化碳的回收循環(huán)裝置等,來提高甲醇的產(chǎn)率。
【項目成果展示】 概述針對目標(biāo)的化學(xué)反應(yīng)設(shè)計過程及理論依據(jù)

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科學(xué)探究——水平1:能利用焓變、熵變判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向。
科學(xué)探究——水平2:具有較強(qiáng)的問題意識,能與同學(xué)討論設(shè)計的思路和提出實驗后的想法,獨(dú)立完成探究任務(wù),交流探究成果。
證據(jù)推理——水平3:能依據(jù)反應(yīng)特征尋找充足的證據(jù),能解釋證據(jù)和結(jié)論之間的關(guān)系。
證據(jù)推理——水平4:能對復(fù)雜的化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型。
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