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

微项目 探究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的优化 一、知识目标 1.掌握判断反应能否正向自发进行的方法，能根据反应的焓变、熵变计算并判断反应方向。 2.理解选择合适化学反应及适宜反应条件的依据，能综合考虑平衡转化率、反应速率、实际生产等因素为合成甲醇选择合适条件。 3.学会分析投料比、压强、温度、催化剂等因素对化学反应的影响，掌握化学平衡和反应速率相关知识在实际工业生产中的应用。 二、核心素养目标 1.宏观辨识与微观探析：从宏观上认识利用工业废气中二氧化碳合成甲醇的实际生产过程，从微观上理解反应的方向、限度和速率受多种因素影响的本质。 2.证据推理与模型认知：通过分析实验数据和图表，建立利用化学反应解决实际问题的一般思路模型，依据证据推理选择合适的化学反应和反应条件。 3.科学探究与创新意识：探究合成甲醇的最佳反应条件，培养创新思维和实践能力，认识到化学在解决环境问题和资源利用方面的重要作用。 一、教学重点 1.利用判断反应的方向。 2.选择合适的化学反应及适宜的反应条件，综合考虑化学平衡和反应速率等因素解决实际问题。 二、教学难点 1.综合分析实际工业生产中各种因素对反应的影响，优化反应条件。 2.建立利用化学反应解决实际问题的思维模型，并应用于具体的工业生产案例。 本节教学内容出自鲁科版2019选择性必修一《化学反应的方向、限度与速率》。该内容聚焦于利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇这一实际问题，将化学反应的方向、限度与速率等理论知识与工业生产实践紧密结合，对于学生深入理解化学原理在实际生产中的应用具有重要意义。 教材围绕选择合适的化学反应和选择适宜的反应条件两个核心任务展开。首先通过对比两个合成甲醇的反应，引导学生运用反应的焓变、熵变知识判断反应能否正向自发进行，体会化学反应选择的重要性。接着详细探讨选择反应条件时需要考虑的因素，如平衡转化率、反应速率、安全、成本等，并结合二氧化碳与氢气合成甲醇的主副反应特点，从投料比、气体压强、温度、催化剂等方面综合考量，选择适宜的反应条件。教材还通过实际案例，如河南安阳的十万吨级绿色甲醇工厂，让学生了解化学原理在工业生产中的具体应用，增强学生的学习兴趣和实践意识。 教学对象为高中生，他们已经具备了一定的化学基础知识，如化学反应中的能量变化、化学平衡等。在思维能力方面，高中生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，具备了一定的逻辑推理和分析问题的能力，但对于将化学理论知识应用于实际生产问题的解决还存在一定困难。 学生在学习过程中，可能对反应的焓变、熵变与反应方向的关系理解不够深入，难以准确判断反应能否自发进行。在选择反应条件时，对于如何综合考虑多种因素，如平衡转化率、反应速率、安全、成本等，可能缺乏系统的思路和方法。此外，学生对于工业生产中的实际问题，如设备要求、技术能力等，缺乏直观的认识和体验。 针对学生的这些特点和问题，教学中应注重引导学生将理论知识与实际问题相结合，通过具体案例分析和讨论，帮助学生理解化学原理在工业生产中的应用。同时，要注重培养学生的逻辑思维和综合分析问题的能力，引导学生逐步形成从多个角度综合分析、解决实际问题的基本思路。 教学环节一 新课导入 【视频展示】同学们，老师先给大家播放一段视频。（播放一段关于全球气候变暖的科普视频，展示冰川融化、海平面上升、极端气候等现象） 【问题】看完这段视频，大家都能深刻感受到全球气候变暖带来的严重危害。那大家知道导致全球气候变暖的主要原因是什么吗？（引导学生回答是二氧化碳等温室气体的大量排放）没错，随着工业的快速发展，工业废气中二氧化碳的排放量与日俱增，这已经成为一个亟待解决的全球性问题。那大家想不想知道，科学家们是如何选择合适的化学反应，将二氧化碳转化为甲醇的呢？在这个过程中，又该如何选择适宜的反应条件来提高甲醇的产率呢？带着这些疑问，让我们一起走进今天的学习内容——探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇。 设计意图 1.激发学生兴趣：通过播放全球气候变暖的视频，直观地展示环境问题的严重性，引起学生的情感共鸣，激发他们对解决该问题的好奇心和兴趣。 2.联系实际案例：引入十万吨级绿色甲醇工厂的成功案例，让学生了解到化学知识在实际生产中的重要应用，使抽象的化学知识变得具体而可感，增强学生对化学学科的认同感和学习动力。 3.引发思考，导入新课：提出关于化学反应选择和反应条件优化的问题，自然地过渡到本节课的主题，让学生明确学习目标，带着问题去探索新知识，提高学习的主动性和积极性。 教学环节二 选择合适的化学反应 活动一：选择合适的化学反应 【问题】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。 ①　 ②　 反应 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。 【学生回答】 1.首先根据判断反应能否正向自发进行。 对于反应①：，在 298 K 时不能正向自发进行，但，，降低温度可能使反应自发进行。 对于反应②：，在 298 K 时不能正向自发进行，且，，任何温度下都不能正向自发进行。 2.从能量角度考虑，反应①是放热反应，相对更节能。 3.从产物角度考虑，反应①产物为甲醇和水，比较简单且水对环境友好。 综合以上因素，反应①更适宜于甲醇的工业生产。 【讲解】同学们回答的很正确，判断一个反应是否适宜工业生产，要综合考虑反应的自发性、能量变化、产物等因素。对于反应的自发性，我们可以通过来判断。同时，在实际工业生产中，还要考虑成本、安全性等因素。 设计意图 通过让学生分析两个反应，培养学生运用化学反应的焓变、熵变知识解决实际问题的能力，以及综合分析问题的能力。 活动二：典例精讲 【典例】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( ) 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 【学生回答】D 【讲解】A. 利用二氧化碳合成甲醇，减少了二氧化碳排放，有利于减排，A选项正确；B. 以二氧化碳和氢气合成甲醇的反应会生成甲醇和水，B选项正确；C. 把二氧化碳转化为甲醇，实现了碳资源的循环利用，C选项正确；D. 催化剂只能改变反应速率，不能使平衡发生移动，不能提高平衡转化率，D选项错误。答案选D。 设计意图 通过例题巩固学生对利用二氧化碳制备甲醇选取合理的化学反应的理解，培养学生运用知识解决问题的能力。 教学环节三 选取适宜的反应条件 活动一：选择反应条件的影响因素 【引入】同学们，在化学反应中，合适的反应条件至关重要。就像我们做饭，不同的食材和菜品需要不同的火候、调料等条件才能做出美味佳肴。在化学工业生产中，选择适宜的反应条件可以提高生产效率、降低成本、减少污染等。那在选择反应条件时，我们需要考虑哪些因素呢？下面我们就一起来探究。 【问题】选择反应条件时，从化学反应本身和实际生产角度分别需要考虑哪些因素呢？ 【学生回答】 1.从化学反应角度，要考虑平衡转化率大、速率大。影响因素有投料比、气体压强、温度、催化剂等。 2.从实际生产角度，要考虑安全、成本、方便、环保等。比如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。 【讲解】大家分析得很全面。化学反应的平衡转化率和速率是我们追求的重要目标，而实际生产中的各种因素也制约着反应条件的选择。我们要综合考虑这些因素，才能选出最适宜的反应条件。例如对于反应，时，，，我们在选择条件时就要兼顾反应本身和实际情况。 设计意图 通过提出问题，引导学生自主思考和讨论，培养学生的自主学习能力和团队协作能力，让学生初步了解选择反应条件需要考虑的多方面因素。 活动二：为二氧化碳与氢气合成甲醇选择适宜的反应条件 【引入】前面我们了解了选择反应条件需要考虑的因素，接下来我们具体看看以二氧化碳和氢气为原料合成甲醇的反应，如何从这些角度综合考量来选择适宜的反应条件。 【问题】从提高主反应的平衡产率和反应速率的角度，分别可以采取哪些措施？从实际生产角度又要注意什么？ 【学生回答】 1.提高主反应的平衡产率：增加原料浓度、增大压强，降低温度。 2.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。 3.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。 【讲解】大家总结得很好。我们要根据反应的特点和实际情况来灵活选择条件。比如主反应特点是放热、熵减小、气体系数和减小，副反应特点是吸热、熵增大、气体系数和不变，我们就要想办法促进主反应，抑制副反应。移走产物也是提高平衡产率的一种有效方法。 设计意图 通过具体的案例分析，让学生将所学的理论知识应用到实际问题中，培养学生的分析问题和解决问题的能力，加深学生对选择反应条件综合考量的理解。 活动三：各因素对二氧化碳与氢气合成甲醇的影响 【引入】我们知道了选择反应条件的一些原则和方法，下面我们具体分析一下投料比、压强、温度、催化剂等因素对二氧化碳与氢气合成甲醇反应的影响。 【问题】分析资料中数值变化对反应的影响，能得出什么结论？ 2:1 3:1 5:1 7:1 11.63 13.68 15.93 18.71 3.04 4.12 5.26 6.93 【学生回答】分析表中数据看出，数值增大，转化率变化不明显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇时并不是的比值越大越好。 【讲解】大家观察得很仔细。在实际生产中，我们要综合学生回答原料的利用率和成本，不能盲目增大某一原料的比例。 【问题】从压强对甲醇产率的影响图中，我们能得到什么信息？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，这种说法对吗？ 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) 【学生回答】从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但学生回答实际情况，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。所以“工业生产中常常使用高压”这种说法不对。 【讲解】我们要辩证地看待压强对反应的影响。虽然压强增大有利于提高产率和反应速率，但实际生产中要学生回答成本和设备等因素，选择一个合理的压强范围。 【问题】为什么温度升高时，甲醇的产率会先增大后减小呢？ 480 500 520 540 560 19 18 17 1615 14 13 12 11 10 T/K φ(CH3OH) 【学生回答】温度在低于时，主要作用是提高与反应生成的速率。温度在升至左右之前，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。 【讲解】温度对反应的影响比较复杂，它既影响反应速率又影响化学平衡。我们要找到一个合适的温度，既能保证反应速率较快，又能使平衡向生成产物的方向移动。 【问题】分析催化剂组成对反应的影响的表格，能得出什么结论？ 组成 Al₂O₃/(wt.%) 选择性 (%) 65.8 26.3 7.9 0 0 78 40 62.4 25.0 0 12.6 0 96 88 65.8 26.6 0 3.6 4 88 100 65.8 26.6 0 5.6 2 138 91 【学生回答】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。不同组成的催化剂对甲醇产率和选择性有不同的影响。 【讲解】催化剂在化学反应中起着关键作用。我们要选择合适组成的催化剂，同时在选择温度时，也要学生回答温度对所用催化剂的催化效率的影响。 设计意图 通过对具体数据和图像的分析，让学生更直观地了解不同因素对反应的影响，培养学生的数据分析能力和逻辑思维能力，进一步加深学生对选择适宜反应条件的理解。 活动四：总结选择反应条件的思路 【问题】结合前面的学习，总结选择反应条件的思路。 【学生回答】要从速率、平衡两方面学生回答，包括反应的方向（）。同时要结合实际工业生产中设备、安全、技术、成本等因素。具体因素有温度、催化剂、浓度、压强等，要综合学生回答这些因素来优化反应条件，促进主反应，抑制副反应。 【讲解】大家总结得很准确。我们在选择反应条件时，要建立起综合的思维方式，既要学生回答化学反应的理论知识，又要结合实际生产的需求。这样才能为实际生产选择出最适宜的反应条件。以下是利用化学反应解决实际问题的一般思路： 设计意图 通过引导学生结合前面的学习总结选择反应条件的思路，帮助学生梳理所学知识，构建系统的知识体系，加深对选择反应条件相关内容的理解与记忆为解决实际化学问题奠定思维基础。 活动五：我国在利用二氧化碳制备甲醇的进展 【讲解】 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。 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。 设计意图 呈现我国在该领域的成果，能激发学生的民族自豪感和自信心，让学生感受到我国化学工业的发展成就，进而提升对化学学习的积极性和认同感。 活动六：典例精讲 【典例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( ) 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：< 【学生回答】D 【讲解】A. 由图可知，温度升高，CO的平衡转化率降低，说明升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应，∆H < 0，A选项错误；B. 压强越大对设备要求越高，生产成本越高，实际生产中要选择合理的压强，不是越高越好，B选项错误；C. 催化剂只能降低反应的活化能，加快反应速率，但不能使平衡发生移动，不能提高CO的平衡转化率，C选项错误；D. 正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，所以< ，D选项正确。答案选D。 【典例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( ) 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 【学生回答】D 【讲解】A. 由图可知，0 - 3min内，CO₂浓度变化量为0.5mol/L，则用CO₂表示的平均反应速率为(v(CO₂)==mol∙L⁻¹∙min⁻¹)，根据化学计量数之比等于反应速率之比，用H₂表示的平均反应速率为(v(H₂)=3v(CO₂)=mol∙L⁻¹∙min⁻¹)，A选项错误；B. 热化学方程式需要注明反应热，该选项未注明，B选项错误；C. 根据图中数据计算平衡常数，需要先确定平衡时各物质的浓度，再代入平衡常数表达式计算，题中未给出具体计算过程，无法确定平衡常数是否为0.9375mol²L⁻²，C选项错误；D. 该反应为放热反应，降低温度，平衡正向移动，平衡常数增大，D选项错误。答案选D。 设计意图 通过例题巩固学生对利用二氧化碳制备甲醇选取适宜的反应条件的理解，培养学生运用知识解决问题的能力。 微项目 利用工业废气中二氧化碳合成甲醇 一、选择合适的化学反应 1.反应自发判断：ΔH－TΔS<0 2.反应对比 oCO₂(g)＋3H₂(g) = CH₃OH(g)＋H₂O(g) oCO₂(g)＋2H₂O(g) = CH₃OH(g)＋3/2O₂(g) 二、选择适宜的反应条件 1.考虑因素 o化学反应：平衡转化率、反应速率 o实际生产：安全、成本、方便、环保 2.影响因素 o投料比 o气体压强 o温度 o催化剂 三、利用化学反应解决实际问题思路 1.反应方向：ΔH－TΔS 2.平衡与速率：浓度、压强、温度 3.实际生产：设备、安全、技术、成本 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 °C，催化剂对CO₂平衡转化率的影响最大 D. 当温度高于250 °C，升度高温，平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低 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。 (1)p₁_____p₂(填“＞”“＜”或“＝”)，理由是________________________________。 (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“＝”)。 (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 【答案】(1) ＜；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 (2)() (3)＝ (4)CE 在本次教学中，通过探讨利用工业废气中二氧化碳合成甲醇这一项目，学生较好地将反应的焓变、熵变、化学平衡和速率等知识应用到实际问题中，形成了综合分析、解决工业生产问题的思路，同时也树立了绿色化学理念。然而，在教学过程中发现，部分学生对反应条件的综合选择理解存在困难，尤其是在考虑实际生产因素与化学反应原理结合时。在今后的教学中，应增加更多实际案例分析，加强理论与实际的联系，帮助学生更好地掌握知识和提高解决问题的能力。同时，要更加关注学生的学习反馈，及时调整教学方法和策略。 / 学科网（北京）股份有限公司 $