24化学反应调控课件-高二上学期化学人教版选择性必修1

化学反应的调控——以“二氧化碳合成甲醇”为例化学反应的调控——以“二氧化碳合成甲烷”为例世界首创！创造历史！意义重大！资料火箭利用自身携带的推进剂(液态氧气与燃料)发生反应，产生高速喷射的热气流来推进箭体上升。在地球上，甲烷廉价易得，但是若将火箭往返的全部燃料从地球带入，将会大大增加航天器自身的质量，增加任务成本。以火星为例，火星距离地球(0.55~4)亿千米，仅返回火星轨道火箭所需的推进剂为数十吨。如何降低任务成本呢？任务一：火星上合成甲烷反应设计活动1：根据火星大气组成，小组讨论，设计二氧化碳合成甲烷化学反应(温馨提示：元素守恒、价态变化)。火星大气主要组成气体分子式组成/%二氧化碳CO295.32氮气N22.7氧气O21.6水H2O0.13方案1CO2+2H2O⇌CH4+2O2方案2CO2+4H2

⇌CH4+2H2O2H2O=2H2↑+O2↑电解反应△H/kJ·mol-1△S/J·mol-1·K-1方案1CO2(g)+2H2O(g)

⇌CH4(g)+2O2(g)

+890.3-11.1方案2CO2(g)+4H2(g)

⇌CH4(g)+2H2O

(g)-165.4-251.5活动2：请选择合适的方案任务一：火星上合成甲烷反应设计△G=△H-T△S△G＜0，反应自发进行×√任务二：火星上合成甲烷反应条件选择CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g)

△H=-165.4kJ·mol-1

活动1：在进行工业生产时，你认为要考虑哪些因素？理论知识工业实际速率产率或转化率绿色环保、安全技术等成本、能耗、物料循环多快好省综合条件选择浓度温度压强催化剂2H2O=2H2↑+O2↑电解任务二：火星上合成甲烷反应条件选择活动2.请为你选择的实验方案选择反应条件原理分析对反应的影响影响因素浓度(投料比)温度压强

催化剂增大反应速率提高

平衡转化率提高平衡时CH4百分含量综合条件选择CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g)

△H=-165.4kJ·mol-1

实践是检验真理的唯一标准！任务三：火星上合成甲烷反应条件优化压强越大，对材料的强度和设备制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。思考：若你是本项目的技术总监，你认为选择多大压强合适，为什么？压强：20atm——30atmCO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g)

△H=-165.4kJ·mol-1

活动1.从压强分析H2转化率温度（℃）避免压强过低，反应速率和转化率较小；压强过大，成本增加过多。任务三：火星上合成甲烷反应条件优化向固定容器中通入体积比为1:4的CO2和H2，在一定温度下反应2小时，根据反应方程式，CO2转化率与CH4产率相等，但CO2转化率却高于CH4产率，可能原因？活动1.从压强分析CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g)

△H=-165.4kJ·mol-1

副反应：CO2(g)

+

H2(g)

⇌

CO(g)

+

H2O(g)

∆H

=+41.17kJ·mol-1

H2转化率CH4产率任务三：火星上合成甲烷反应条件优化思考：1.在1atm时，随着温度升高，H2转化率呈现了先减小后增大的趋势，请你分析可能的原因。2.你认为生产时的温度选择多少比较合适？主反应：CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g)

△H=-165.4kJ·mol-1

活动2.从温度分析副反应：CO2(g)

+

H2(g)

⇌

CO(g)

+

H2O(g)

∆H

=+41.17kJ·mol-1

H2转化率温度（℃）1.CO2合成CH4反应放热，CO2生成CO反应吸热。低于600℃时，主要发生主反应，随着温度升高，平衡逆向移动，H2转化率降低；高于600℃，主要发生副反应，随着温度升高，平衡正向移动，H2转化率增大。2.300——400℃任务三：火星上合成甲烷反应条件优化活动3:你若是本项目负责人，你会哪组催化剂?各种催化剂用于CO2甲烷化的优缺点催化剂优点缺点Ru-Al2O3优越的CO2催化活性；高金属分散度；高稳定性；高选择性高价格Rh-Al2O3高选择性低产率，高价格Ni-Al2O3价格低、高选择性高温下烧结，可能导致催化剂中毒Fe-Al2O3高产率；低价格活性催化点位容易改变；反应时稳定性差；选择性较差Co-Al2O3高选择性价格高于Fe基催化剂和Ni基催化剂，高温下稳定性差活动4：总结火星合成甲烷的最佳反应条件n(H2):n(CO2)＜4:1压强:2MPa~3MPa温度：300~400℃催化剂：Ru-Al2O3任务三：火星上合成甲烷反应条件优化任务四：反思总结活动1：总结化学反应调控的一般思路反应设计条件选择条件优化元素价态自发性判断（△H-T△S）定性定量多快好省化学平衡移动化学反应速率工业生产绿色工艺、安全、技术等设备成本、能耗、物料循环等浓度温度压强催化剂目前，二氧化碳甲烷化的反应机理仍然是一个科学之谜，二氧化碳甲烷化在地还未投入工业化生产，在太空完成二氧化碳甲烷更远！我国在《国家太空探索活动报告》中提出，计划在2050年前突破行星表面推进剂合成技术!理论变成现实，我们还有很长的路要走!请你从环保和能源角度说明二氧化碳甲烷化研究的意义？习近平总书记在党的二十大报告中明确提到2035年我国发展的总体目标，其中之一是“碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国目标基本实现”。

课后评价：N