课件1微项目探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇

※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.通过以工业废气中的二氧化碳为原料合成甲醇反应的自发性判断和条件选择，体会焓变、熵变、化学平衡和反应速率等相关知识的应用价值，逐步形成化学学科的变化观念与平衡思想及科学态度与社会责任的学科核心素养。2.在设计反应、判断方向性和选择条件的活动过程中，综合利用相关知识分析、解决有关问题，初步形成解决这类问题的一般思路并掌握有关的方法，从而形成证据推理与模型认知的学科核心素养。3.通过本项目的学习，树立绿色化学观念，认识到利用化学反应将无用物质转化为有用物质是解决环境问题的重要途径之一，体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。项目学习目标工业上如何将CO2合成甲醇?

思考：提示：通过化学反应将CO2与氢源(H2或H2O)在催化剂条件下合成甲醇。1.利用焓变和熵变判断化学反应的方向

<>>=<必备知识回顾2.化工生产适宜条件选择的一般原则(1)从化学反应速率角度分析既不能过快，又不能太慢。(2)从化学平衡某著名企业角度分析既要注意外界条件对反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性。思考：有人说压强越大，反应速率越快，而且利用反应CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)合成甲醇转化率大，因此工业生产中常常使用高压，对吗?提示：不对。尽管压强大，对于CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)而言，既有利于加快速率，又有利于提高反应物转化率，但考虑实际情况，压强越大对设备要求越高，生产成本越高，因此工业上往往选择合理的压强。

判断下列说法是否正确，正确的打“√”,错误的打“×”。(1)理论上说，甲醇与氧气可设计成燃料电池。(

)(2)利用CO和H2合成甲醇，其物质的量之比是n(CO)∶n(H2)=1∶2。(

)(3)利用天然气合成甲醇的反应为CH4(g)+H2O(g)CH4O(g)+H2(g)。(

)(4)甲醇是21世纪具有竞争力的清洁燃料之一。(

)(5)ΔH<0，ΔS<0的反应在低能自发进行。(

)√√√√√1.选择合适的化学反应合成甲醇问题探究：CO2的大量排放有什么危害?试设想如何将CO2变废为宝?项目活动探究提示：CO2产生“应”将导致南极、北极冰雪融化，海平面上升，病虫害增加，气候反常等，从而使人类生存环境恶化。可以通过化学反应，使CO2和氢气(或水等)在催化剂作用下合成甲醇。深化拓展：热力学角度分析合成甲醇反应能否进行从工业废气中合成甲醇，是近年来科学研究的热点。甲醇是重要的化工原料。利用CO2和氢源(H2、H2O)在催化剂的作用下合成甲醇，可能发生的反应如下:①CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH1=-48.97kJ·mol-1，ΔS1=-177.16J·mol-1·K-1;②CO2(g)+2H2O(g)===CH3OH(g)+3/2O2(g)ΔH2=+676.48kJ·mol-1，ΔS2=-43.87J·mol-1·K-1③CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)

ΔH3=+41.17kJ·mol-1，ΔS3=+42.08J·mol-1·K-1。根据判据ΔH-TΔS判断反应①低正向自发进行，反应②任何情况下都不能自发进行，反应③在高正向自发进行。A.ΔH1<0，ΔH2>0B.增大压强有利于加快合成反应的速率C.生产过程中，高越有利于提高CH3OH的产率D.选用合适的催化剂可以减弱副反应的发生典例1：在一定条件下，利用CO2合成CH3OH的反应为CO2(g)+3H2(g)

===CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH1，研究发现，反应过程中会发生副反应为CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)

ΔH2，CH3OH、CO的产率影响如图所示。下列说法不正确的是(

)答案：

C解析：根据图像可以看出，高，CO的产率越高，CH3OH的产率越低，可知ΔH1<0,ΔH2>0，A正确，C错误；对于气体反应，增大压强都能加快合成反应的速率，B正确；合适的负催化剂可以减弱副反应的发生，D正确。2.选择适宜的反应条件问题探究：选择合成甲醇适宜的反应条件时，你会考虑哪些影响因素?

提示：结合反应速率和化学平衡的影响因素，需要考虑、浓度、压强、催化剂对反应的影响。总原则既要考虑有较快的反应速率，又要尽可能提高产率。深化拓展：1.化工生产适宜条件选择的一般原则条件原则从化学反应速率分析既不能过快，又不能太慢从化学平衡某著名企业分析既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性从原料的利用率分析增加价原料，提高难得高价原料的利用率，从而降低生产成本从实际生产能力分析如设备承受高温、高压能力等从催化剂的活性方面分析注意催化剂的活性对限制2.利用CO2和H2合成甲醇在实际化工生产中适宜条件的选择主反应CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH1=-48.97kJ·mol-1副反应CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)

ΔH2=+41.17kJ·mol-1。一般考虑以下因素:(1)反应物物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]：增大比值，甲醇的产率增大。(2)改变压强：①同压下，升高衡转化率减小；②同，增大压强平衡转化率增大。(3)改变催化剂的组成：组成改变影响甲醇的平衡转化率和选择性。综合理论和事实表明，较高的物质的量之比[n(H2)∶n(CO2)]、较高的总压强、适宜的催化剂有利于甲醇的合成。3.项目成果展示(1)利用化学反应解决实际问题的一般思路。(2)目标化学反应设计过程及理论依据。

典例2：已知反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在恒容密闭容器中按

加入CO和H2合成甲醇，测得起始压强p0=102kPa。CO的平衡转化率[α(CO)]随变化曲线如图所示，R点时反应的平衡常数Kp=

(kPa)-2(用平衡分压代替平衡浓度计算，p分=p总×物质的量分数)，R、S两点平衡常数大小:Kp(R)

(填“>”“=”或“<”)Kp(S)。

答案：

>

解析：(1)R点时CO的平衡转化率为0.50，设起始加入的CO为xmol，根据“三段式”分析:1.一定，在三个体积均为1.0L的恒容密闭容器中发生反应:2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)。下列说法正确的是(

)A.该反应的正反应为吸热反应B.达到平衡时，容器Ⅰ中的CH3OH体积分数比容器Ⅱ中的小C.容器Ⅰ中反应到达平衡所需时间比容器Ⅲ中的长D.若起始时向容器Ⅰ中充入CH3OH0.15mol、CH3OCH30.15mol和H2O0.10mol，则反应将向正反应方向进行随堂检测答案：D

解析：由题给表格中的Ⅰ、Ⅲ数据可知，低，生成物的量越多，说明升高衡逆向某著名企业，则此反应的正反应为放热反应，A选项错误；题给反应是一个反应前后气体分子数不变的反应，达到平衡后，容器Ⅰ和Ⅱ中甲醇的体积分数相同，B选项错误；容器Ⅰ中，反应速率快，达到平衡所需的时间短，C选项错误；根据387℃时,2.工业上制备合成气的工艺主要是水蒸气重整甲烷：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

ΔH>0，在一定条件下，向体积为1L的密闭容器中充入1molCH4(g)和1molH2O(g)，测得H2O(g)和H2(g)的浓度随时间变化曲线如图所示，下列说法正确的是(

)A.达到平衡时，CH4(g)的转化率为75%B.0~10min内，v(CO)=0.075mol·L-1·min-1C.该反应的化学平衡常数K=0.1875mol2·L-2D.当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率相等时，反应到达平衡解析：由图可知，10min时反应到达平衡，平衡时水蒸气和氢气的浓度均为0.75mol·L-1，则:确；同一物质的消耗速率与其生成速率相等时，反应到达平衡，由方程式可知当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率为1∶3时，反应到达平衡，D项错误。答案：C

3.T

℃时，在1L的密闭容器中充入2molCO2和6molH2，一定条件下发生反应：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

ΔH1=-49.1kJ·mol-1，测得H2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如下表所示。下列说法不正确的是(

)答案：B

解析：t0~t1时间内v(H2)=mol·L-1·min-1，A项正确；由表某著名企业息可知t1时该反应达到平衡状态，由于正反应是放热的反应，若t1时升高，则平衡要向逆方向著名企业，H2的转化率要减小，故B错误；t0时，反应向正反应方向进行，故v(正)>v(逆)，故C正确；D项，t1时反应处于平衡状态，CO2、H2、CH3OH(g)、H2O(g)的平衡浓度分别为1mol·L-1、3mol·L-1、1mol·L-1、1mol·L-1，所以该反应的平衡常数K=，由于反应物的投料之比等于其化学式前的系数之比，所以达到平衡时CO2与H2的转化率相等，均为50%，故D正确。4.(2020·福建师大附中月考)在恒容密闭容器中，由CO合成甲醇：CO(g)+2H2(g)

CH3OH(g)，在其他条件不变的情况下研究反应的影响，实验结果如图所示，下列说法正确的是(

)答案：D

5.甲醇既是重要的化工原料,又可作为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇。发生的主要反应如下:回答下列问题：(1)反应①的化学平衡常数K的表达式为

；图1中能正确反映平衡常数K随化关系的曲线为

(填曲线标记字母)，其判断理由是

。

(2)合成气组成=2.60时，体系中的CO平衡转化率(α)与压强的关系如图2所示。α(CO)值随高而

(填“增大”或“减小”)，其原因是

；图2中的压强由大到小为