-------------以工業廢氣CO2合成甲醇為例探究化學反應的方向與調控教學目標1.以工業廢氣CO2為碳源合成甲醇為例，從平衡、速率、副反應和實際生產等多個角度對反應進行調控，形成、解決工業生產實際問題的基本思路。2.樹立綠色化學理念，認識到利用化學反應將無用物質轉化為有用物質是解決環境問題的重要途徑之一。??科學探究與創新意識、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知??科學態度與社會責任環節一情境引入——以工業廢氣CO2合成甲醇【資料卡片】甲醇是一種重要的有機化工原料和清潔燃料，傳統上通過石油裂解和煤制備，而利用CO2直接轉化為甲醇，既可以減排CO2，又可以實現人類不依賴于化石能源的限制。環節二設計化學反應1.在298K，100kPa條件下，兩個反應的焓變、熵變如下，哪個反應適宜于甲醇的工業生產？CO2(g)＋3H2(g)?CH3OH(g)＋H2O(g)

CO2(g)＋2H2O(g)?CH3OH(g)＋3/2O2(g)

ΔH=－48.97kJ·mol－1 ΔS=－177.16J·mol－1·K－1ΔH=＋676.48kJ·mol－1 ΔS=－43.87J·mol－1·K－1CO2CH3OHH2、

H2OH2是常見的還原劑，而H2O難以被氧化?！舅季S角度2】反應的方向【思維角度1】元素觀、守恒觀ΔG=ΔH－TΔS<0教學任務一環節三選擇反應條件1.研究發現，以CO2和H2為原料合成甲醇時，通常還伴隨著以下副反應：CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g) ΔH=+41.17kJ·mol-1分別從速率、平衡角度考慮，應如何選擇反應條件，以提高甲醇產率？完成學案。教學任務二角度影響因素選擇條件化學平衡

化學反應速率溫度、濃度、壓強低溫、增加原料濃度/高壓溫度、濃度、壓強、催化劑高溫、增加原料濃度/高壓、使用催化劑

副反應:CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.17kJ·mol-1主反應:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-48.97kJ·mol-1小組討論小組討論【實驗數據】1.為增大CO2轉化率，反應過程中盡可能多地補充H2，是否合理？選擇合適的n(H2)/n(CO2)，并說明原因。2.觀察圖像，選擇合適的反應壓強，并說明原因。【從濃度/壓強因素考慮】環節四分析實驗數據，確定適宜的反應條件副反應:CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.17kJ·mol-1主反應:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-48.97kJ·mol-1教學任務三原料利用：原料來源，成本實際生產：材料，設備...注：工業生產上一般采取投料總量恒定，保證總壓強不變，通過改變投料比的措施來改變產品品質?！緩臏囟纫蛩乜紤]】小組討論小組討論1.為何圖像中溫度升高，實際產率呈先升高后降低的趨勢？2.選擇合適的反應溫度，并說明原因?副反應:CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.17kJ·mol-1主反應:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-48.97kJ·mol-1溫度升高：速率加快溫度升高：主反應逆向移動促進副反應催化劑活性降低催化劑活性溫度范圍通常為240～250℃環節四分析實驗數據，確定適宜的反應條件【實驗數據】教學任務三速率和平衡(一致性和矛盾性)、催化劑活性、主副反應調控把握主次矛盾【從催化劑因素考慮】小組討論小組討論1.選擇合適的催化劑？并說明原因。組成(質量分數/％)CH3OH產量/[g(kg-催化劑-1·h-1)]選擇性/%1組:CuO/Al2O378402組:CuO/ZnO/ZrO296883組:CuO/ZnO/ZrO2(3.6)/MnO(4)881004組:CuO/ZnO/ZrO2(5.6)/MnO(2)13891注：甲醇產量/[g·(kg-催化劑-1·h-1)

]:單位質量催化劑在單位時間內所獲得的產物質量；常用于評價催化劑活性。環節四分析實驗數據，確定適宜的反應條件【實驗數據】教學任務三催化劑的活性對溫度的限制副反應:CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.17kJ·mol-1主反應:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=-48.97kJ·mol-110~30MPa400℃~500℃鐵觸媒溫度壓強催化劑鐵觸媒活性在500℃最佳，且反應速率快壓強過大對設備要求高，選擇適宜的壓強n(N2)/n(H3)=1:3分離出液氨未反應的N2和H3N2(g)+3H2(g)?2NH3

ΔH＜0雙層反應釜環節五綜合優化條件教學任務四閱讀教材P45-47，總結工業合成氨的分析模型，借鑒此模型，綜合優化合成甲醇的條件。理論分析：低溫、高壓5MPa240~250℃不同組分的(CuO/ZnO/ZrO2/MnO)溫度壓強催化劑催化劑活性在240~250℃最佳，且反應速率快壓強過大對設備要求高，選擇適宜的壓強n(H2)/n(CO2)=3:1分離出液化甲醇未反應的H2和CO2CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH＜0CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH＞0環節五綜合優化條件教學任務四閱讀教材P45-47，總結工業合成氨的分析模型，借鑒此模型，綜合優化合成甲醇的條件。理論分析：低溫、高壓不同壓強下，按照n(CO2):n(H2)=1:3投料，實驗測定CO2的平衡轉化率和CH3OH的平衡產率隨溫度的變化關系如圖所示。(3)其中縱坐標表示CO2平衡轉化率的是圖

(填“甲”或“乙”)；壓強P1、P2、P3由大到小的順序為_________；T1溫度時，三條曲線幾乎交于一點的原因是________。乙（2020·山東）探究CH3OH合成反應化學平衡的影響因素，有利于提高CH3OH的產率。以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應如下：Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1=-49.5kJ·mol-1Ⅱ.CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g) ΔH2=-90.4kJ·mol-1Ⅲ.CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g) ΔH3=+40.9kJ·mol-1溫度升高，Ⅰ、Ⅱ反應逆向移動，Ⅲ反應正向移動。T1時以反應III為主，反應III前后分子數相等，壓強改變對平衡沒有影響P1>P2>P3副反應副反應

真題探究(4)為同時提高CO2的平衡轉化率和CH3OH的平衡產率，應選擇的反應條件為_________(填標號)。A.低溫、高壓

B.高溫、低壓

C.低溫、低壓

D.高溫、高壓A分析多元平衡體系答題模板分析平衡移動，研究反應特征。明確產物變化，把握主導反應。（2022·海南卷）某空間站的生命保障系統功能之一是實現氧循環，其中涉及反應：(3)在相同條件下，CO2(g)和H2(g)還會發生不利于氧循環的副反應：CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)在反應器中按n(CO2):n(H2)=1:4通入反應物，在不同溫度、不同催化劑條件下，反應進行到2

min時，測得反應器中，CH3OH和CH4濃度()如下表所示：催化劑t=350℃t=400℃c(CH3OH)c(CH4)c(CH3OH)c(CH4)催化劑Ⅰ10.812722345.242780催化劑Ⅱ9.2107753438932若某空間站的生命保障系統實際選擇使用催化劑Ⅱ和400℃的反應條件，原因是

。相同催化劑，400℃的反應速率更快，相同溫度，催化劑Ⅱ副產物濃度低，甲烷與甲醇比例高

真題探究1.（2020·浙江卷）研究CO2氧化C2H6制C2H4對資源綜合利用有重要意義。

相關的主要化學反應有：Ⅰ:C2H6(g)

?C2H4(g)+H2(g)ΔH1>0Ⅱ:C2H6(g)+CO2(g)

?C2H4(g)+H2O(g)+CO(g)ΔH2>0Ⅲ:C2H6(g)+2CO2(g)

?4CO(g)+3H2(g)ΔH3>0CO2和C2H6按物質的量1:1投料，在923K和保持總壓恒定的條件下，研究催化劑X對“CO2氧化C2H6制C2H4”的影響，所得實驗數據如下表：催化劑轉化率C2H6%轉化率CO2％產率C2H4%催化劑X19.037.63.3①結合具體反應分析，在催化劑X作用下，CO2氧化C2H6的主要產物是______，

判斷依據是

。②采用選擇性膜技術（可選擇性地讓某氣體通過而離開體系）可提高C2H4的選擇性（生成C2H4的物質的量與消耗C2H6的物質的量之比）。在773K，乙烷平衡轉化率為9.1%，保持溫度和其他實驗條件不變，采用選擇性膜技術，乙烷轉化率可提高到11.0%。結合具體反應說明乙烷轉化率增大的原因是