第2章 微项目：探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇-2021-2022学年高二化学【创新设计】同步学考笔记（鲁科版2019选择性必修1）粤皖闽单选word

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 【课程标准要求】　 1．通过利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择以及对反应条件的优化，体会反应的焓变、熵变、化学平衡和速率相关知识的应用价值，形成从物质转化以及反应的方向、限度、快慢等多个角度综合分析、解决工业生产实际问题的基本思路。 2．通过本项目的学习，树立绿色化学理念，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。 一、项目基础 1.CO2的来源和危害 随着现代工业的快速发展，工业废气排放量增加；大量化石燃料的使用产生大量的CO2。空气中CO2含量的增加会导致温室效应，使全球气温升高，导致冰川融化、海平面上升，以及干旱等严重的自然灾害。因而CO2的综合利用越来越受到人们的重视。 2．甲醇的用途和来源 (1)甲醇的用途：甲醇是一种化工原料，广泛用于有机合成、医药、农药、燃料、高分子等化工生产领域；在有机原料中消耗仅次于乙烯、丙烯和苯，排在第四位。 (2)甲醇的来源：大多数国家以天然气为原料合成甲醇，我国以煤和重渣油为原料合成甲醇。 3．CO2合成甲醇的前景 如果用工业废气CO2作为碳源合成甲醇，既可减少CO2的排放，又可为甲醇的合成提供一条绿色合成的新途径，意义重大。 【微自测】 1．我国科学家研制出CO2与H2合成甲醇的高效催化剂。下列有关说法错误的是(　　) A．有利于减排CO2 B．反应生成甲醇和水 C．有利于碳资源循环利用 D．提高了甲醇的平衡转化率 答案　D 解析　用CO2生产甲醇，有利于减排CO2，故A正确；根据质量守恒知反应生成甲醇和水，故B正确；CO2与H2合成甲醇，甲醇在燃烧后生产二氧化碳，所以有利于碳资源循环利用，故C正确；催化剂只能加快反应速率，对甲醇的平衡转化率没有影响，故D错误。 二、选择合适的化学反应 以CO2为碳源的反应 利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇，还需要寻找氢源。如果选取常见的氢气或水作为氢源。可能设计出以下两个反应。 ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.97 kJ·mol－1、ΔS＝－177.16 J·mol－1·L－1 ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋O2(g) ΔH＝＋676.48 kJ·mol－1、ΔS＝－43.87 J·mol－1·L－1 由于反应①在低温下可以自发进行，而反应②在任意温度下均不能向右自发进行，故工业上以CO2为原料合成甲醇时，选用反应①实现CO2的综合利用。 【微自测】 2．一定条件下，利用CO2合成CH3OH 的反应如下：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH (g)＋H2O(g)　ΔH1，研究发现，反应过程中会有副反应：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)　ΔH2，温度对CH3OH、CO 的产率影响如图所示。下列说法中不正确的是(　　) A．ΔH1<0，ΔH2>0 B．增大压强有利于加快合成反应的速率 C．生产过程中，温度越高越有利于提高CH3OH 的产率 D．合成CH3OH反应的平衡常数表达式是K＝ 答案　C 解析　根据图示升高温度CH3OH的产率降低，反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH (g)＋H2O(g) 向逆反应方向移动，ΔH1＜0，升高温度CO的产率增大，反应CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)向正反应方向移动，ΔH2＞0，A项正确；反应有气体参与，增大压强有利于加快合成反应的速率，B项正确；由图像可见，温度越高CH3OH的产率越低，C项错误；根据化学平衡常数的概念，合成CH3OH反应的平衡常数表达式是K＝，D项正确。 三、选择适宜的反应条件 1.合成甲醇的副反应 研究发现，以CO2和H2为原料合成甲醇时，常伴随着副反应：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)。 主反应：①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.97 kJ·mol－1、ΔS＝－177.16 J·mol－1·L－1 副反应：②CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1、ΔS＝＋42.08 J·mol－1·L－1。 主反应①在低温下有自发正向进行的趋势，副反应②在高温下有自发正向进行的趋势；在工业生产过程中，可以通过控制适当的温度，减少副反应的发生。 2．合成甲醇的适宜条件 (1)压强：工业上一般采用总压2～5 MPa。 (2)温度：考虑到甲醇的产率和催化剂的活性，一般选用433__K～543__K的温度。 (3)浓度：适当增大反应物浓度，保持n(H2)∶n(CO2)＝3∶1左右。 (4)催化剂：考虑到催化剂的选择性和高效性，一般使用以Cu、CuO为主要活性成分的铜基催