高中化学-微项目：探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇教学设计学情分析教材分析课后反思

“探究如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇”教学设计1．教学设计思路这节课设计主线就是利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇，以人工岛的视频导入，引导学生拆解任务，得出步骤是项目活动一选择合适的化学反应和项目活动二选择适宜的反应条件，根据课本提供的资料以及学过的合成氨工业条件的选择，经过一系列的问题、讨论、归纳等教学环节，最终得出最适宜的工业条件。2．课标分析【内容要求】化学反应的调控：认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。【教学策略】结合生产实例，组织学生开展关于反应条件的选择与优化的讨论，促使学生形成从限度、速率、能耗等多角度综合调控化学反应的基本思路，发展学生“绿色化学”的观念和辩证思维的能力。【学业要求】1.能运用温度、浓度、压强对化学平衡的影响规律，推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化，能讨论化学反应条件的选择和优化。2.能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化。3.针对典型案例，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。3．教学过程教学活动说明引入通过视频导入新课，让学生了解碳排放带来的环境问题的可能的解决方案。【学生】阅读教材82页1、甲醇的重要性。2、选择CO2作碳源合成甲醇的意义。【教师】引出课题，明确项目任务——利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇。第2章学习之后，对一定条件下反应发生的方向判断有了重新的认识。本节课就以重要的化工原料之一“甲醇”为例，讨论二氧化碳作为碳源重新转化为有用物质的可能性和可行性。以真实的环境问题作为项目研究背景，在增强学生社会责任的同时，快速创设项目情境，明确项目任务。项目活动一：选择合适的化学反应【教师】引导学生如何设计合适的化学反应【学生】能根据元素守恒得出需要水或者氢气来用二氧化碳制得甲醇。【学生】回答预习学案第一个问题，对于反应①②能否自发进行？如果能，高温自发还是低温自发？判断课本两个反应的方向，得出初步结论——利用氢气作为氢源更有利于反应自发。学生通过定性分析或具体计算，掌握用焓变、熵变综合判据判断反应自发方向的方法。项目活动二——第一阶段：预测适当的反应条件【问题】根据上节学过的合成氨工业条件的选择，这节课的主反应的工业条件选择的综合考量我们理论上应该从哪几个角度，如何选择适宜的条件？【学生】投影展示预习学案的这个问题从温度、浓度、压强、催化剂、投料比以及实际生产条件多角度预测。【教师】依据工业合成氨，提示学生进行系统性的思考，有序地将角度和因素展现出来。尽可能引导学生系统、有序地思考条件因素和优化角度，形成思维模型。增加副反应的思考维度。项目活动二——第二阶段：分析实验数据，确定适合的反应条件【问题】1、根据资料1的真实数据分析如何提高二氧化碳的转化率，提高甲醇的产率？根据实际生产，是否n（H2）：n（CO2）值越大越好？2、从浓度的角度分析（考虑副反应）还可以采取什么措施？请大家分享自己的思考。【学生】分组讨论、分享资料1：较高的氢气投料比有利于增大二氧化碳的转化率和甲醇，但考虑氢气的成本问题，因此投料比应适度。文献中大多选择的都是n(H2):n(CO2)=3:1,这可能处于方程式系数和成本的综合考量，并且更多的氢气有利于主反应的发生。另外从浓度角度分析，及时移出产物甲醇，能提高二氧化碳的转化率，提高甲醇的产率。从副反应角度，二氧化碳的量是有限的，主反应用的多了副反应就少了。我们要尽量促主抑副，移走甲醇主反应平衡右移，二氧化碳和氢气的量减少，那副反应就向左进行，抑制了副反应。通过实验数据的分析，让相对抽象的条件预测更直观、更具体呈现出来。引导学生体会实验证据与理论证据的不同特点。教材中对这部分有相对定向的学生模拟讨论。若学生分析困难，可以适当参考课本的讨论。【问题】如何选择合适压强？我们能得到什么样的结论？是不是越大越好？【学生】综合平衡和速率考虑，再结合资料2的图像，压强的影响是一致的，甲醇的产率随着压强的增大而增大。但不是越大越好，考虑设备成本问题。综合考量，根据实验数据和技术能够承受的较高压强，选择5MP。压强的影响比较简单，学生自己就能得出结论，简单处理。【问题】1、选择什么温度最合适？2、为什么温度升高时，甲醇的产率会先增大后减小呢？请大家分享自己的思考。【学生】分组讨论、分享1、选择520K左右最合适，从资料2的图像很明显能看出来。2、温度升高，有利于速率，但会削弱主反应的限度，反而有利于副反应的发生，所以甲醇的产率后来会减小。开始时温度升高，可能是主反应速率大占优势，而达到一定温度之后，就开始受到副反应的限制。还有可能是到了一定的温度后超过了催化剂的活性温度，催化剂效率降低，降低了甲醇的产率。综合考量，根据实验数据选择520K左右的温度可以获得单位时间内较高的甲醇产率。温度的图像相对于其他图像比较复杂，需要学生考虑的影响因素要多一些。这部分要多花一些时间处理。【问题】从表中数据可以得到哪些结论？你认为选择哪组比较好？有不同意见的话我们可以展开辩论。大家要仔细看好资料3下边的小注，选择性及甲醇的产率单位。请大家分享自己的思考。【学生】分组讨论、分享不同的催化剂组成，对于反应的活性和选择性具有一定差异。有的小组觉得第四组比较好，理由是甲醇产率高而且选择性也不太低，有的小组觉得第三组比较好，因为选择性100%，甲醇产率也不太低。选择性不是100%的，会生成CO污染环境，要增加回收设备。通过实验数据可以看到在ZnO和CuO的基础上，增加ZrO2可以提高催化剂催化甲醇的产率；增加MnO可以提高催化剂的选择性。根据实验数据，可以选择产率较高、选择性较好的催化剂成分，并通过催化剂的活性温度范围综合考量温度的选择。最终选第三组和第四组我们觉得都可以，具体要看实际生产中的成本问题。教材上给出以Cu、CuO为主要活性成分的铜基催化剂的活性温度范围通常为433K-543K。【问题】催化剂最有前途的研究方向是什么？针对这个主反应是放热反应的这类反应，低温催化剂是最有前途的研究方向。【教师】在讨论和分享的过程中可以适时引导学生关注投料比、压强、温度和催化剂对主副反应不同的影响。关注一因多果，比如：温度的变化可能导致改变主副反应的平衡、速率以及催化剂活性都发生改变，因此这类因素的确定需要综合考量。关注不同因素对反应影响的程度不同。根据实验数据定量地认识到不同因素对实验的影响，比如温度和压强对甲醇产率的影响不如催化剂组成调整的影响明显。所以在决定反应温度时，常以催化剂的活性温度为主要参考。资料中的转化率和产率都是一定时间内的数据，并不是平衡转化率和平衡产率。因此该数据是主副反应在一定条件下平衡和速率综合的结果。如果学生分不清楚，教师在适时的时候可以对此进行一定的说明和提醒。在实际生产中，催化剂的使用对于单位时间内产率增加具有重大影响，因此许多的反应条件都会向保证催化剂的活性和选择性倾斜。分析问题建立理论和实验两个维度。通过理论和实际的联系，学生可以了解理论依据和实验证据对于解决问题各自的贡献。【总结】设计化学反应解决问题的一般思路：选择反应物设计反应 判断反应是否自发选择适宜的条件（从理论和实际生产角度，温度、压强、浓度、投料比、催化剂和副反应等条件的选择）形成思维模型，便于问题的迁移。体现“变化观念与平衡思想”，“证据推理与模型认知”，“科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。小结：利用工业废气的二氧化碳合成甲醇的条件【教师】请同学们来总结这节课的适宜的条件【学生】讨论，回答，明确反应条件，提出优化方向根据上述的分析和实验数据，我们可以初步确定投料比在n(H2):n(CO2)=3:1，温度在520K左右，压强为5MPa,可以选择ZnO和CuO为基料、ZrO2和MnO为辅料的催化剂。此外，还可以通过对工业废气中的二氧化碳进行富集、实现产物与反应物分离促进反应物的充分利用，研究活性温度较低的催化剂等方式对反应条件继续进行选择和优化。当堂练习——作业布置模型迁移板书设计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一选择合适的化学反应CO2+3H2===CH3OH+H2O项目活动二选择适宜的反应条件1.浓度n(H2):n(CO2)=3:12.压强5MPa3.温度520K左右4.催化剂第三组或者第四组学生已经学习了这一章有关化学平衡和化学反应速率的知识，已经有了一定的知识积累，第四节又学习了工业合成氨这么成熟的化学反应调控案例，学生掌握的还不错，已经具备了利用资料和数据来分析问题的能力，应该可以能够得到工业实际生产的适宜条件。这节课整体讲下来，效果非常好，学生给了我意想不到的收获，我主要从学习过的合成氨来启发引导，带领着他们自己去得到适宜的化学反应，以及根据课本的资料能够从投料比、温度、压强和催化剂得到适宜的条件，学生最后都能挖掘出我想不到的一些影响因素。本章的主题是“化学反应的方向、限度与速率”。在学习了反应方向的判断、化学平衡和化学反应速率的内容后，本项目引导学生能够利用所学知识对贴近科学研究前沿、应用前景广阔的新问题进行综合分析，并建构出设计和调控化学反应以解决实际问题的思维模型，以落实“证据推理与模型认知”“科学态度与社会责任”化学学科核心素养。本章第四节中涉及的“工业合成氨”是非常成功的化学反应调控案例，也在100多年前成功地解决了当时工农业含氮化合物紧缺的问题。利用这个经典的教学素材，在学生已知“合成氨”的反应，已经初步体会到化学反应的平衡知识、速率知识对当时生产实践的指导作用和社会价值，在此基础上本项目引导学生探讨解决现代社会亟待解决的“碳排放”真实问题的一种研究思路。在项目活动过程中，学生依据项目目标，从设计一个“将二氧化碳转化为甲醇”的新反应开始，利用焓变和熵变先从理论上探讨反应的方向，挑选出自发可能性较大的反应；在了解真实体系中常常伴有副反应发生的复杂情况后，进而学习将理论预测和实验数据两类证据对照进行分析与解释，综合考虑工业实际情况后有依据地对主反应进行条件的选择和优化。【随堂练习】1.在一定条件下，合成气发生如下两个主要反应：CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H＝﹣90.1kJ•mol﹣12CO（g）+4H2（g）═CH3OCH3（g）+H2O（g）△H＝﹣204.7kJ•mol﹣1．仅根据如图，选择该条件下制取甲醇的最佳温度为．2.利用CO2及H2为原料，在合适的催化剂（如Cu/ZnO催化剂）作用下，也可合成CH3OH，涉及的反应有：甲：CO2（g）+3H2（g）⇌CH3OH（g）+H2O（g）△H＝﹣53.7kJ•mol﹣1乙：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）△H＝+41.2kJ•mol﹣1催化剂和反应体系的关系就像锁和钥匙的关系一样，具有高度的选择性。下列四组实验，控制CO2和H2初始投料比均为1：2.2，经过相同反应时间（t1min）温度（K）催化剂CO2转化率（%）甲醇选择性（%）综合选项543Cu/ZnO纳米棒材料12.342.3A543Cu/ZnO纳米片材料11.972.7B553Cu/ZnO纳米棒材料15.339.1C553Cu/ZnO纳米片材料12.070.6D由表格中的数据可知，相同温度下不同的催化剂对CO2的转化为CH3OH的选择性有显著影响，根据上表所给数据结合反应原理，所得最优选项为（填字母符号）。这节课还有一些需要改进的地方：1.在预测适宜的反应条件时，应该让学生说，让学生根据工业合成氨来预测这个主反应的适宜条件，从温度、浓度、压强、催化剂、投料比等因素自己分析得结论。2.最后总结设计化学反应解决实际问题的一般思路的时候，也应该让学生讨论得出结论，就是可能时间会长一些。但是应该更能锻炼学生。根据最新的《普通高中化学课程标准》【内容要求】化学反应的调控：认识化学反应速率和化学平衡的综合调控在生产、生活和科学研究中的重要作用。知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有