微项目二 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇（课件PPT）-【金榜题名】2026-2027学年高二化学选择性必修1高中同步学案（鲁科版）

该高中化学课件核心围绕利用工业废气CO₂合成甲醇，涵盖化学反应方向判断、反应条件优化等知识点。课堂从工业废气处理实际问题导入，结合焓变熵变知识分析三个反应的自发进行条件，为后续温度、压强等条件选择搭建学习支架。 其亮点在于通过具体反应热力学计算（如ΔH-TΔS判断反应方向）和实验数据（不同压强、温度对甲醇产率影响图表），培养科学思维与科学探究能力，渗透绿色化学理念体现科学态度与责任。学生能建立理论与实际联系，教师可借助问题探讨引导主动分析。

第一章　化学反应与能量转化 　微专项目二 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 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 章末检测卷（二） 点击进入 word 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 谢谢观看 第二章　化学反应的方向、限度与速率 返回导航 1 背景知识： 1．目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。 2．合成甲醇的原料 eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(大多数国家用CH4,我国用煤和重渣油))。 3．选择CO2作碳源合成甲醇的原因 (1)工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题； (2)天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少； (3)用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。 一、选择合适的化学反应 　假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知298 K，100 kPa时，有如下反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.97 kJ·mol-1　ΔS＝－177.16 J·mol-1·K-1 ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋ eq \f(3,2)O2(g) ΔH＝＋676.48 kJ·mol-1　ΔS＝－43.87 J·mol-1·K-1 ③CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·mol-1　ΔS＝＋42.08 J·mol-1·K-1 [问题探讨] 1．请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？ 提示：反应①，ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·mol-1－298 K×(－0.177 16)kJ·mol-1·K-1≈3.82 kJ·mol-1＞0，该反应属于放热熵减反应，降低温度时正向反应自发进行。 反应②，ΔH－TΔS＝＋676.48 kJ·mol-1－298 K×(－0.043 87)kJ·mol-1·K-1≈＋689.55 kJ·mol-1＞0，该反应属于吸热熵减反应，在任何温度下正向反应均不自发进行。 反应③，ΔH－TΔS＝＋41.17 kJ·mol-1－298 K×0.042 08 kJ·mol-1·K-1≈＋28.63 kJ·mol-1＞0，该反应属于吸热熵增反应，在高温下正向反应自发进行。 2．用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？ 提示：有反应①、③，其中反应③是较高温度时的副反应。 二、选择适宜的反应条件 1．理论分析 角度1：反应限度(转化率) 反应①在低温时自发进行，Δvg＜0，加压有利于合成甲醇。据此可知，合成甲醇应选择什么条件？ 提示：需在低温、高压条件下进行。 角度2：反应速率 为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化剂均可加快反应速率。 矛盾之处——发现问题： 升温，不利于反应①的平衡正向移动，同时副反应③正向移动，副产物增多；使用催化剂加快反应速率，但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。 理论分析条件的选择 工业生产的目的是获得利润，因此选择合成甲醇的适宜条件时，既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应速率、应选择以较高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。 2．例证——实际合成甲醇条件的选择 (1)不同n(H2)∶n(CO2)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 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。 (2)改变压强对反应的影响 不同总压对甲醇产率的影响 523 K，n(H2)∶n(CO)2＝3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维 从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。 (3)温度对反应的影响 不同温度对甲醇产率的影响 总压5 MPa，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1，催化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维 从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。 [问题探讨] 1．从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？ 提示：应选择合适的n(H2)∶n(CO2)、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。 2．从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？ 提示：配置二氧化碳富集装置、甲醇—水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等。 1．工业生产适宜条件优化，针对目标化学反应设计过程及理论依据过程 2．利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇的条件优化 1．某温度下，将6 mol CO2和8 mol H2充入2 L密闭容器中，发生反应CO2(g)＋3H2(g) ⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH<0，容器中H2的物质的量随时间的变化关系如图中的实线所示。图中虚线表示仅改变某一反应条件时，H2的物质的量随时间的变化关系。下列说法正确的是(　　) A．从反应开始至a点，v(CO2)＝0.9 mol·L-1·min·L-1 B．曲线Ⅰ对应的条件改变可能是减小压强 C．曲线Ⅱ对应的条件改变可能是充入氢气 D．该温度下，此反应的化学平衡常数的数值为0.5 解析：选D　由题图可知，a点氢气的物质的量为4.4 mol，参加反应的氢气的物质的量为8 mol－4.4 mol＝3.6 mol，氢气的浓度变化量为 eq \f(3.6 mol,2 L)＝1.8 mol·L-1，故v(H2)＝ eq \f(1.8 mol·L-1,2 min)＝0.9 mol·L-1·min-1，速率之比等于化学计量数之比，则v(CO2)＝ eq \f(1,3)v(H2)＝0.3 mol·L-1·min-1，A错误；由题图可知，曲线Ⅰ到达平衡的时间缩短，反应速率加快，平衡时氢气的物质的量增大，平衡向逆反应方向移动，正反应为放热反应，说明是升高温度，B错误； 条件改变如果是充入氢气，平衡正向移动，反应速率加快，但氢气的总量应比条件改变前多，而曲线Ⅱ速率加快，氢气的量变少，C错误；由题图可知，该温度平衡时氢气的物质的量为2 mol，参加反应的氢气的物质的量为8 mol－2 mol＝6 mol，氢气的浓度变化量为3 mol·L-1，则： CO2 (g)＋3H2(g) ⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g) 开始/(mol·L-1) 3 4 0 0 变化/(mol·L-1) 1 3 1 1 平衡/(mol·L-1) 2 1 1 1 故该温度下平衡常数K＝ eq \f(1×1,2×13)＝0. 5，D正确。 2．某温度下，在容积为1 L的密闭容器中充入1 mol CO2和3.25 mol H2，发生CO2(g)＋3H2(g) ⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－49.0 kJ·mol-1，测得CH3OH(g)的物质的量随时间的变化如图所示(已知，此温度下，该反应的平衡常数K＝2.25)。下列说法正确的是(　　) A．0～10 min，v(H2)＝0.075 mol·L-1·min-1 B．点b所对应的状恋为化学平衡状态 C．CH3OH的生成速率，点a低于点b D．欲使平衡状态时 eq \f(c(CH3OH),c(CO2))增大，可保持其他条件不变升高温度 解析：选B　0～10 min，n(CH3OH)增加0.75 mol，v(CH3OH) eq \f(0.75 mol,1 L×10 min)＝0.075 mol·L-1·min-1，则v(H2)＝ eq \f(0.75 mol,1 L×10 min)×3＝0.225 mol·L-1·min-1，A错误，据图中数据，点b所在状态有0. 25 mol CO2(g)、1.0 mol H2(g)、0.75 mol CH3OH(g)、0.75 mol H2O(g)，将它们的浓度代入Q表达式，得Q＝2.25＝K，为化学平衡状态，B正确；从起始到平衡过程中，CH3OH的生成速率(正反应速率)逐渐减小，即正反应速率点a高于点b，C错误；因ΔH<0，欲使平衡状态时 eq \f(c(CH3OH),c(CO2))增大，可保持其他条件不变降低温度，D错误。 3．甲醇是重要的化工原料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂的作用下合成甲醇，可能发生的反应如下： ⅰ.CO2(g)＋3H2(g) ⥫⥬CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH1 ⅱ.CO2(g)＋H2(g) ⥫⥬CO(g)＋H2O(g)　ΔH2 ⅲ.CH3OH(g) ⥫⥬CO(g)＋2H2(g)　ΔH3 回答下列问题： (1)已知反应ⅱ中相关化学键键能数据如下： 化学键 H—H C===O C eq \a\vs4\al(\o(=====,\s\up7(←)))O H—O E/(kJ·mol-1) 436 803 1076 465 由此计算ΔH2＝______kJ·mol-1。已知ΔH3＝＋99 kJ·mol-1，则ΔH1＝______kJ·mol-1。 (2)一定比例的合成气在装有催化剂的反应器中反应12小时。体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图1所示。 ①温度为470 K时，图中P点________(填“是”或“不是”)处于平衡状态。在490 K之前，甲醇产率随着温度升高而增大的原因是 ______________________ 490 K之后，甲醇产率下降的原因是__________________________ ②一定能提高甲醇产率的措施是________。 A．增大压强　　　　　B．升高温度 C．选择合适催化剂 D．加入大量催化剂 (3)图2为一定比例的CO2/H2、CO/H2、CO/CO2/H2条件下甲醇生成速率与温度的关系。 ①490 K时，根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。 Ⅰ.CO2 eq \o(⥫⥬,\s\up15(H2),\s\do15(H2O))CO eq \o(⥫⥬,\s\up15(2H2))CH3OH Ⅱ.CO eq \o(⥫⥬,\s\up15(H2O),\s\do15(H2))CO2 eq \o(⥫⥬,\s\up15(3H2))CH3OH＋H2O ②490 K时，曲线a与曲线b相比，CO的存在使甲醇生成速率增大，从热力学与动力学角度，并结合反应ⅰ、ⅱ分析原因：__________________________ 解析：(1)CO2(g)＋H2(g) ⥫⥬CO(g)＋H2O(g)　ΔH2，反应热＝反应物总键能－生成物总键能，故ΔH2＝(2×803＋436) kJ·mol-1－ (1 076＋2×465) kJ·mol-1＝＋36 kJ·mol-1；根据盖斯定律由ⅱ－ⅲ＝ⅰ，故ΔH1＝ΔH2－ΔH3＝＋36 kJ·mol-1－(＋99 kJ·mol-1)＝－63 kJ·mol-1。(2)①温度为470 K时，图中P点不是处于平衡状态。在490 K之前，甲醇产率随着温度升高而增大的原因是温度越高化学反应速率越快；490 K之后，甲醇产率下降的原因是升高温度，反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低；②A项，增大压强，反应ⅰ平衡正向移动，正确；B项，由题图可知，温度高于490 K甲醇产率降低，错误； C项，选择合适催化剂，反应生成甲醇，提高甲醇产率，正确；D项，加入大量催化剂，不能影响平衡，错误。(3)①490 K时，从甲醇的生成速率来看，a曲线大于c曲线，即甲醇来源于CO2和H2，故490 K时，根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是Ⅱ；②490 K时，曲线a与曲线b相比，CO的存在使甲醇生成速率增大，原因是：对于反应ⅱ，CO是生成物，CO促进反应ⅱ逆向移动，二氧化碳和氢气的量增加，水蒸气的量减少，反应ⅰ正向进行，故CO的存在使甲醇生成速率增大。 答案：(1)＋36　－63 (2)①不是　温度越高化学反应速率越快　升高温度，反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低　②AC (3)①Ⅱ　②CO促进反应ⅱ逆向移动，二氧化碳和氢气的量增加，水蒸气的量减少，反应ⅰ正向移动 章末体系构建 $$