第2章 微项目探究如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 教学设计-2025-2026学年高二上学期化学鲁科版选择性必修1

选择性必修1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 【课标分析】 1． 能运用温度、浓度、压强对化学平衡的影响规律，推测平衡移动方向及浓度、转化率等相关物理量的变化，能讨论化学反应条件的选择和优化。 2． 能运用温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化。 3.针对典型案例，能从限度、速率等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析 【教学目标】 1． 通过对工业废气中CO2合成甲醇反应的自发性判断和条件选择，体会焓变、熵变、化学平衡和反应速率等相关知识的应用价值，提升化学学科的变化观念与平衡思想的学科核心素养。 2．在设计反应、判断方向性和选择条件的活动过程中，综合利用相关知识分析、解决有关问题，初步形成解决这类问题的一般思路模型并掌握有关的方法，发展证据推理与模型认知的学科核心素养。 3.通过项目学习，树立绿色化学理念，认识到化学在解决环境问题中的重要作用，培养科学态度与社会责任的学科核心素养。 【评价目标】 1．通过本节课的学习，学生能够养成用科学的方法解决实际问题的求真态度，提升对化学学科价值的认识水平，并增强对社会责任的担当意识。 2．通过本节课的学习，学生能够形成解决工业生产实际问题的一般思路，即通过分析问题的本质，提出合理的解决方案，并进行实验验证和优化。 3.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，从而激发学生对化学学科的热爱和对环境保护的责任感。 【教学重难点】 1．建构设计和调控化学反应以解决实际问题的思维模型，并进行应用。 2．理论预测与实验数据分析相结合，进行分析解释并优化反应条件 【教法与学法】 任务驱动法、讲授法、思考讨论法。 【教学准备】 教学用品：多媒体课件翻页笔 【教学过程】 [情境引入]科学家为碳中和作出的贡献——二氧化碳制淀粉引导，展示图文和视频资料小组展示课前任务引入“碳达峰”“碳中和”概念，介绍人工合成淀粉的重大突破和重要意义。 [学生活动] 【项目活动一】选择合适的化学反应 [驱动问题]1. 从CO2→CH3OH，从元素守恒、高原子利用率的角度还需要的反应物是？ 2. 已知以下两个反应及其特征： ①CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ②CO2(g)+2H2O(g) CH3OH(g)+ O2(g) （1）根据资料卡片1，通过计算判断两个反应在常温下的自发性。并计算自发反应所需温度范围。（2）综合考虑上述两个反应,采取哪个反应合成甲醇更有利? 【学生】能根据元素守恒得出需要水或者氢气来用二氧化碳制得甲醇。对于反应①②能否自发进行？如果能，高温自发还是低温自发？判断课本两个 反应的方向，得出初步结论——利用氢气作为氢源更有利于反应自发。学生通过定性分析或具 体计算，掌握用焓变、熵变综合判据判断反应自发方向的方法。 [自主建构]工业生产选择反应首先要：①判断反应的自发性或能自发所需要的温度； ②除了主反应外，还要发现、分析可能出现的副反应。 【项目活动2】选择适宜的反应条件 【思考探究】1. 研究发现：采取反应 （主反应）CO2(g) + 3H2(g) CH3OH(g) + H2O(g)，　ΔH= - 48.97 kJ·mol-1 生产甲醇时,伴随副反应: 在298 K下 （副反应） ③ CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(g)， ΔH= + 41.17 kJ·mol-1， ΔS= + 42.08 J·mol-1·K-1。分析该副反应自发进行的条件 【交流研讨】如果你是生产企业的设计者，选择反应条件时，需要考虑哪些角度和哪些因素？请尝试为上述合成甲醇的反应选择合适的条件，并说明理由。 [学习回答] 任务二：反应条件的选择与优化活动一：预测条件1.选择适宜的反应条件时，可以从哪些角度考虑，有哪些影响因素？2.请多角度综合分析，为二氧化碳工业生产甲醇的反应选择适宜的条件，并说明理由。 【教师】提供二氧化碳和氢气反应副反应的相关数据。 【学生】小组讨论，填写表格并展示。从温度、浓度、压强、催化剂、投料比以及实际生产条件多角度预测。 [学习评价]组间互评。 【教师】依据工业合成氨，提示学生进行系统性的思考，有序地将角度和因素展现出来。尽可能引导学生系统、有序地思考条件因素和优化角度，形成思维模型。增加副反应的思考维度 【项目活动3】优化反应条件 【问题】根据资料卡片2，讨论下列问题 1.总压恒定，增大H2与CO2的投料比，二者的浓度如何变化？CO2的转化率和CH3OH的产率如何变化？是否n（H2）：n（CO2）值越大越好？ 2.类比工业合成氨反应的优化，理论上选择n(H2):n(CO2)=？ 【学生】分组讨论分析数据，分享，汇报，填写表格并分析解释。 1：较高的氢气投料比有利于增大二氧化碳的转化率和甲醇， 但考虑氢气的成本问题，因此投料比应适度。选择n(H2): n(CO2)=3:1，从方程式系数和成本的综合考量，并且更多的氢气有利于主反应的发生。另外 从浓度角度分析，及时移出产物甲醇，能提高二氧化碳的转化率，提高甲醇的产率。从副反应角度，二氧化碳的量是有限的，主反应用的多了副反应就少了。 我们要尽量促主抑副，移走甲醇主反应平衡右移，二氧化碳和氢气的量减少，那副反应就向左进行，抑了副反应。 【问题】根据资料卡片3，讨论下列问题 1.增大压强对副反应的化学平衡是否造成影响？ 2.工业生产中应该选择怎样的压强？为什么？ 【学生】综合平衡和速率考虑，再结合资料3的图像，压强的影响是一致的，甲醇的产率随着压强的增大而增大。但不是越大越好，考虑设备成本问题。综合考量，根据实验数据和技术能够承受的较高压强，选择5MP。 【问题】根据资料卡片4，讨论下列问题 1. 随着温度升高，为什么甲醇的产率先增大后减小？ 2.工业生产应该选择怎样的温度？为什么？ 【学生】分组讨论、分享1、选择520K左右最合适，从资料3的图像很明显能看出来。2、温度升高，有利于速率，但会削弱 主反应的限度，反而有利于副反应的发生，所以甲醇的产率后来会减小。开始时温度升高，可能是主反应速率大占优势，而达到一定温度之后，就开始受到副反应的限制。还有可能是到了一定的温度后超过了催化剂的活性温度，催化剂效率降低，降低了甲醇的产率。综合考量，根据实验数据选择520K左右的温度可以获得单位时间内较高的甲醇产率。 【问题】根据资料卡片5，讨论从表中数据可以得到哪些结论？你认为选择哪组比较好？ 【学生】分组讨论、分享不同的催化剂组成，对于反应的活性和选择性具有一定差异。有的 小组觉得第四组比较好，理由是甲醇产率高而且选择性也不太低，有的小组觉得第三组比较好，因为选择性100%，甲醇产率也不太低。选择性不是100%的，会生成CO污染环境，要增加回收设备。通过实验数据可以看到 在ZnO和CuO的基础上，增加ZrO2可以提高催化剂催化甲醇的产率；增加MnO可以提高催化剂的选择性。根据实验数据，可以选择产率较高、选择性较好的催化剂成分，并通过催化剂的活性温度范围综合考量温度的选择。最终选第三组和第四组我们觉得都可以，具体要看实际生产中的成本问题。教材上给出以Cu、CuO为主要活性成分的铜基催化剂的活性温度范围通常为433K-543K。 【总结】设计化学反应解决问题的一般思路：选择反应物设计反应判断反应是否自发 选择适宜的条件（从理论和实际生产角度，温度、压强、浓度、投料比、催化剂和副反应等条件的选择）形成思维模型，便于问题的迁移。体现“变化观念与平衡思想”，“证据推理与模型认知”， “科学态度与社会责任”的化学学科核心素养。 小结：利用工业废气的二氧化碳合成甲醇的条件 【教师】请同学们来总结这节课的适宜的条件 【学生】讨论，回答。填表 我们可以初步确定投料比在n(H2): n(CO2)=3:1，温度在520K左右，压强为5MPa，可以选择ZnO和CuO为基料、ZrO2和MnO为辅料的催化剂。此外，还可以通过对工业废气中的二氧化碳进行富集 、实现产物与反应物分离促进反应物的充分利用，研究活性温度较低的催化剂等方式对反应条件继续进行选择和优化。 【问题】1.请归纳设计化学反应解决实际问题的一般思路。 【学生】小组讨论整理思路模型。引导学生归纳整理。学生互评。 理论分析，最终确定具体条件的思路过程，初步形成解决实际问题的一般思路模型，并且能够应用所学知识对实验现象进行分析解释。 [归纳提升]设计化学反应解决问题的一般思路：选择反应物设计反应-判断反应是否自发-选择适宜的条件（从理论和实际生产角度，温度、压强、浓度、投料比、催化剂和副反应等条件的选择） [作业布置] 学科网（北京）股份有限公司 $