微项目 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇（教学课件）化学鲁科版2019选择性必修1

第 2 章 化学反应的方向、限度与速率 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 鲁科版2019选择性必修一 选择适宜的反应条件 2 1 知识导航 选择合适的化学反应 知识导航 明·学习目标 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。 全球平均气温持续升高 引·新课导入 01 选择合适的化学反应 探·知识奥秘 项目活动1 选择合适的化学反应 以下两个反应中，你认为哪个反应更适宜于甲醇的工业生产？请说明理由。 ①CO2(g)＋3H2(g) = CH3OH(g)＋H2O(g)　 ②CO2(g)＋2H2O(g) = CH3OH(g)＋3/2O2(g)　 反应 ΔH/(kJ·mol－1) ΔS/(J·mol－1·K－1) ① －48.97 －177.16 ② ＋676.48 －43.87 注：1）反应温度为 298 K，各气体分压为 100 kPa。在相同温度下，当气体混合物中的某一组分占据与该气体混合物相同的体积时，所形成的压强为该组分的分压。 2）假设反应的焓变和熵变不随温度的改变而变化。 首先要考虑反应在指定条件下能否正向自发进行 ΔH－TΔS<0 1.我国科学家研制出与合成甲醇的高效催化剂。下列有关该反应的说法错误的是( ) 析·典型范例 A.有利于减排 B.反应生成甲醇和水 C.有利于碳资源循环利用 D.该高效催化剂提高了的平衡转化率 D 02 选择适宜的反应条件 探·知识奥秘 项目活动2 选择适宜的反应条件 1.选择反应条件时，需要考虑哪些因素？ 化学反应： 实际生产： 影响因素： 平衡转化率大、速率大； 安全、成本、方便、环保…… 投料比、气体压强、温度、催化剂等 CO2(g)＋H2(g) = CO(g)＋H2O(g)　 298K时，ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1　 ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1 研究发现，以二氧化碳和氢气为原料合成甲醇时，通常还伴随着以下副反应： 探·知识奥秘 项目活动2 选择适宜的反应条件 2.从以上角度综合考量，为二氧化碳与氢气合成甲醇选择适宜的反应条件。 提高主反应的平衡产率：增加原料浓度、增大压强，降低温度。 提高反应速率：增加原料浓度，升高温度，增大压强、加入适当催化剂等。 实际生产角度 二氧化碳在废气中的量可能有限，需要富集；氢气容易获得但成本相对高。对于可逆反应，尽可能分离产物和未反应的反应物，将物质进行循环使用。压强和温度要在技术能力和成本允许的范围内设定。 主反应特点：放热、熵减小、气体系数和减小 副反应特点：吸热、熵增大、气体系数和不变。 移走产物 探·知识奥秘 项目活动2 选择适宜的反应条件 分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2转化率变化不明显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇时并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好。 (1)改变投料比对反应的影响 资料1 反应物的物质的量之比对反应的影响 n(H2):n(CO2) 2:1 3:1 5:1 7:1 α(CO2)/% 11.63 13.68 15.93 18.71 φ(CH3OH)/% 3.04 4.12 5.26 6.93 表2-5-2 不同n(H2):n(CO2)对反应的影响 探·知识奥秘 项目活动2 选择适宜的反应条件 从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高,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。 [思考]有人说压强越大,反应速率越快,而且甲醇的产率越高,因此工业生产中常常使用高压,对吗? (2)改变压强对反应的影响 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 19 17 15 13 11 9 7 5 p/MPa φ(CH3OH) 探·知识奥秘 项目活动2 选择适宜的反应条件 (3)温度对反应的影响 [思考]为什么温度升高时，甲醇的产率会先增大后减小呢？ 温度在低于520K时，主要作用是提高CO2与H2反应生成 CH3OH的速率。温度在升至520K左右之前，其主要作用是增大反应速率，反应以正向为主，所以甲醇的产率逐渐增大。温度从520K左右再升高，其主要作用是使化学平衡逆向移动，所以甲醇的产率逐渐减小。 480 500 520 540 560 19 18 17 1615 14 13 12 11 10 T/K φ(CH3OH) 探·知识奥秘 项目活动2 选择适宜的反应条件 (4)催化剂的组成对反应的影响 催化剂组成的改变对甲醇产率和选择性的影响 组成 CuO/ (wt.%) ZnO/ (wt.%) Al2O3/ (wt.%) ZrO2/ (wt.%) MnO/ (wt.%) φ(CH3OH)/ [g·(kg-催化剂)-1·h-1] 选择性 (%) CuO/ZnO/ Al2O3 65.8 26.3 7.9 0 0 78 40 CuO/ZnO/ ZrO2 62.4 25.0 0 12.6 0 96 88 CuO/ZnO/ ZrO2/MnO 65.8 26.6 0 3.6 4 88 100 CuO/ZnO/ ZrO2/MnO 65.8 26.6 0 5.6 2 138 91 注：1）反应条件为 n(H2) ∶n(CO2) = 3∶1，温度 553 K，总压 4 MPa。 2）wt.% ：质量分数。3）选择性：生成甲醇的二氧化碳在全部二氧化碳反应物中所占的比例。 4）甲醇产率单位［g·(kg- 催化剂 )-1·h-1］：单位质量催化剂在单位时间内所获 探·知识奥秘 项目活动2 选择适宜的反应条件 合适的催化剂不仅能提高一定反应时间内的产率，还能提高选择性，减小副反应的影响。选择温度时，也要考虑温度对所用催化剂的催化效率的影响。 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、适宜的温度和催化剂有利于甲醇的合成。 (4)催化剂的组成对反应的影响 探·知识奥秘 利用化学反应解决实际问题的一般思路 速率 平衡 选择化学反应 选择反应条件 反应的方向 元素观 设计化学反应 ΔH－TΔS 实际工业生产中设备、安全、技术、 成本等 温度 催化剂 浓度 压强 温度 浓度 压强 守恒观 优化反应条件 乙烯、乙醇和二甲醚等化工产品 促进主反应 抑制副反应 探·知识奥秘 鸟瞰图 2023年2月21日，由河南顺利集团 吉利控股集团麦芬隆（上海）环境工程技术有限公司共同出资建设的十万吨级绿色甲醇工厂在河南安阳投产。 生产装置 以工业废气中捕集的CO2为主要碳源和H2 反应合成绿色甲醇，每年可生产甲醇11万吨 和联产LNG 7 万吨，并每年减少CO2 排放 0.44亿 Nm3，实现销售收入5.6亿元。 1.CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)，CO在不同温度下的平衡转化率与压强及温度的关系如图所示。下列说法正确的是( ) 析·典型范例 A.该反应的∆H>0 B.实际生产中选择的压强越高越好 C.使用合适的催化剂，可以降低反应的活化能， 提高CO的平衡转化率 D.平衡常数：K350℃<K250℃ D 2.将在一定条件下与反应转化为甲醇是变废为宝的好办法。一定条件下，每转化44g放出的热量为49.0kJ，转化为甲醇过程中部分物质的浓度随时间的变化曲线如图所示（已知反应物和生成物在此条件下均为气体），下列叙述正确的是( ) 析·典型范例 D A.0~3min内，用CO2和H2表示的平均反应速率相等，均为0.5mol∙L-1∙min-1 B.此反应的热化学方程式为CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)+H2O（g） C.此条件下该反应的平衡常数K=0.9375mol2L-2 D.降低温度，此反应的平衡常数减小 析·典型范例 2.将在一定条件下与反应转化为甲醇是变废为宝的好办法。一定条件下，每转化44g放出的热量为49.0kJ，转化为甲醇过程中部分物质的浓度随时间的变化曲线如图所示（已知反应物和生成物在此条件下均为气体），下列叙述正确的是( ) D 理·核心要点 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 设计并选择化学反应 选择反应的适宜条件 ΔH－TΔS 化学平衡 判断反应的方向 焓变 熵变 温度 浓度 压强 温度 浓度 压强 温度 催化剂 反应速率 A.图中N型半导体为正极,P型半导体为负极.Y电极的反应:4OH--4e- === 2H2O+O2↑.图中离子交换膜子交换.该装置实现了“太阳能→化电能”的转化 1．一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g) CH2=CH2(g)＋4H2O(g)。已知温度对CO2的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如图。下列说法正确的是(　　) 　 B A．M点的正反应速率v(正)大于N点的逆反应速率v(逆)　 B．若投料比n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，则图中M点对应 乙烯的体积分数为5.88% C．250 ℃，催化剂对CO2平衡转化率的影响最大 D．当温度高于250 ℃，升度高温，平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低 练·技能实战 练·技能实战 2．利用CO和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。一定条件下，在容积为V L的密闭容器中充入a mol CO与2a mol H2合成甲醇，CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。 (2)该甲醇合成反应在A点的平衡常数K＝________________ (用a和V表示)。 (3)该反应达到平衡时，反应物的转化率：α(CO)___α(H2) (填“＞”“＜”或“＝”)。 (1)p1_____p2(填“＞”“＜”或“＝”)，理由是 ________________________________ ____ _______________________________________。 ＜ 甲醇的合成反应是气体分子数减少的反应，相同温度下，增大压强，CO的平衡转化率提高 ＝ 析·典型范例 (4)下列措施中一定能够同时满足增大反应速率和提高CO转化率的是________(填字母)。 A．使用高效催化剂 B．降低反应温度 C．增大体系压强 D．不断将CH3OH从反应混合物中分离出来 E．加入物质的量之比为1∶2的CO和H2 CE 2．利用CO和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g)。一定条件下，在容积为V L的密闭容器中充入a mol CO与2a mol H2合成甲醇，CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。 感谢 您的聆听 THANKS 鲁科版2019选择性必修一 $$