第2章 学案15 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇-【智学校本学案】2025-2026学年高中化学选择性必修第一册（鲁科版）

鲁科版化学选择性必修1 学案15探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇 记 学可任务 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.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 课堂活动 反应 △G 反应的自发性 (1)C02(g)+3H2(g) 活动一 选择合适的化学反应 CH,OH(g)+H2O(g) 低温时 低温下能正 △H=-48.97kJ·mol-1 △G<0 向自发进行 D新知导学 △S=-177.16J·mol-1, K-1 1.请思考工业废气中二氧化碳可采取哪些治理 (2)CO2(g)+2H2O(g) 方向？ -CH,OH(g)+ 20, 任何温度下 △G恒 均不能正向 (g) △H=+676.48k· 大于0 mol1、△S=-43.87J· 自发进行 2.由CO2合成CHOH,从元素守恒和原子利用 mol-.K- 率的角度推测，还需要的反应物可能是 工业上以CO2为原料合成甲醇时，选用反应 (1)实现C0,的综合利用。 3.科研人员提出多种转化利用二氧化碳的方法和 D新知应用 途径，其中利用二氧化碳合成甲醇是重要的研 1.正误判断 究方向之一。阅读教材相关内容，总结“选择二 (1)甲醇将成为21世纪具有竞争力的清洁燃料 氧化碳作为碳源合成甲醇是基于哪些方面的 之一。 () 原因？” (2)可利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合 成甲醇。 () (3)大量化石燃料的使用产生大量的CO2,会形 新知生成 成酸雨。 () 以工业废气中的CO2为碳源，选取常见的 (4)催化还原CO2是解决温室效应及能源问题 H2或H2O作为氢源，设计出如表所示两个反应。 的重要手段之一。 () 假设反应的焓变和嫡变不随温度的改变而变化， (5)如果用工业废气CO,作为碳源合成甲醇， 利用吉布斯自由能变，判断下面两个反应的自 既可减少CO2的排放，又可为甲醇的合成提供 发性。 一条绿色合成的新途径，意义重大。() 1168 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇学案15 2.以CO和H2为原料合成甲醇是工业上的成熟 副反应：CO2(g)+H2(g)—CO(g)+HO(g) 方法，直接以CO2为原料生产甲醇是目前的研 △H=+41.17kJ·mol-1 课 究热点。我国科学家用CO2人工合成淀粉时， (1)将这两个反应各自有利的条件填入下表。 笔 第一步就需要将CO2转化为甲醇。 项目 浓度 压强 温度 已知：①CO(g)+2H2(g)=CHOH(g) △H1=-90.5kJ·mol-1 主反应 ②CO(g)+H2O(g)一CO2(g)+H2(g) △H2=-41.1kJ·mol-1 副反应 ③2H2(g)+O2(g)-2H2O(g) △H3=-483.6kJ·mol-1 (2)归纳以二氧化碳和氢气为原料工业生产甲 下列说法正确的是 ( 醇的反应选择适宜的反应条件。 A.若温度不变，反应①中生成1 mol CH,OH(1) 时，放出的热量小于90.5kJ B.对于反应②，选用高效催化剂，可降低反应 3.结合教材资料卡片综合选择优化的反应条件。 的焓变 (1)分析教材“资料1反应物的物质的量之比 C.CO2与H2合成甲醇的热化学方程式为 对反应的影响”的表格数据可得出的结论是 CO2(g)+3H2 (g)CH,OH(g)+H2O(g) 0 △H=-49.4kJ·mol1 (2)分析教材“资料2压强与温度对甲醇产率！ D.以CO2和H2O为原料合成甲醇，同时生成 的影响”图像，总结： O2,该反应放出能量 [归纳总结] 设计化学反应解决实际问题的一般思路 焓判据 (3)分析教材“资料3催化剂的组成对反应的 反应能否 利用化学 自发进行 熵判据 影响”表格数据，可得出结论： 反应解决 综合判据 实际问题 反应的限 厂化学反应能进行到什么程度 度与速率 如何提高反应的速率和限度 D新知生成 合成甲醇的适宜条件 活动二 选择适宜的反应条件 (1)理论分析 D新知导学 对平衡混合 反应 对化学反应 适宜条件 1.研究发现，以二氧化碳和氢气为原料合成甲醇 条件 物中甲醇含 速率的影响 的选择 量的影响 时，通常还伴随着以下副反应： CO2(g)+H2 (g)-CO(g)+H2 O(g)298K 压强大有利于 合成甲醇，但过 时，△H=+41.17kJ·mol-1;△S=+42.08 有利于提高 增大 有利于增大 高的压强对材 J·mol1·K1。假设反应的焓变和熵变不随 产物中甲醇 压强 反应速率 料、设备要求 温度的变化而变化，分析该副反应自发进行的 的含量 高，故选择较高 条件。 的压强 合成甲醇的温 2.分析主反应和副反应的特征 不有利于提 升高 有利于增大 度要适宜，兼顾 主反应：CO2(g)+3H2(g)—CH3OH(g)+ 高产物中甲 温度 反应速率 速率、平衡以及 H2O(g)△H=-48.97kJ·mol-1 醇的含量 催化剂活性 691 鲁科版化学选择性必修1 听 续表 2CO2 (g)+6H2 (g)CH CH2 OH (g)+ 课 对平衡混合 3H,O(g) 反应 对化学反应 适宜条件 物中甲醇含 下列叙述错误的是 () 记 条件 速率的影响 的选择 量的影响 A.使用Cu/Zn/Fe催化剂可大大提高生产 随 着 效率 实验表明在总 n(H2) B.由反应需在300℃下进行可推测该反应是 增大反 的 有利于增大 n(C02) 压相同条件下， 吸热反应 应物 反应速率 增大，反应 随 n(H2) 浓度 (C0,)增大 C.充入大量CO2气体可提高H2的转化率 产物中甲醇 甲醇的产率增大 D.从平衡混合气体中分离出CHCH,OH和 的产率提高 H2O可提高CO2和H2的利用率 催化剂的组 [归纳总结] 选择合适催化 使用 有利于增大 成和选择性 选择适宜条件的优化思路 剂，增大速率和 催化剂 反应速率 影响甲醇的 甲醇的产率 平衡转化率/产率的影响： 产率 温度、浓度、压强 选择适 结合实验数 宜的反 据， (2)结论 实际安 反应速率的影响：温度 全、成本、 综合上述所有因素，甲醇工业生产中一般选用下 应条件 浓度、压强、接触面积 技术等 列条件： 催化剂（活性、选择性） ①压强：工业上一般采用总压2~5MPa。 ②温度：考虑到甲醇的产率和催化剂的活性，一般 课堂达标 选用433~543K的温度。 ③浓度：适当增大反应物浓度，保持n(H2): 1.“液态阳光”是指由阳光、二氧化碳和水通过人 n(C02)=3:1左右。 工光合作用得到的绿色液态燃料。下列有关 ④催化剂：考虑到催化剂的选择性和高效性，一般 “液态阳光”的说法不正确的是 () 使用以Cu、CuO为主要活性成分的铜基催化剂。 A.CO2和H2O转化为“液态阳光”过程中同时 ⑤辅助措施：实际工业生产过程中考虑成本、工 吸收能量 艺、安全性等多方面因素，常配置一些辅助装置。 B.煤气化得到的水煤气合成的甲醇属于“液态 如二氧化碳富集装置，甲醇一水分离装置以及副 阳光” 产物一氧化碳的回收装置等。 C.“液态阳光”行动有利于可持续发展并应对 D新知应用 气候变化 1.正误判断 D.“液态阳光”有望解决全球化石燃料不断枯 (1)使用合适的催化剂可以提高化学反应速率。 竭的难题 2.我国科学家研制出CO2与H2合成甲醇的高效 (2)反应速率加快，反应物的平衡转化率一定增大。 催化剂。下列有关该反应的说法错误的是 (3)选择适宜的反应条件时，一般要从化学平 A.有利于减排CO, 衡，反应速率、主反应和副反应多个方面综合考虑。 B.反应生成甲醇和水 () (4)某温度下，反应CH2一CH2(g)+H2O(g) C.有利于碳资源循环利用 =CH3CH2OH(g)在密闭容器中达到平衡， D.该高效催化剂提高了CO,的平衡转化率 恒容下，充入一定量的H,O(g),平衡向正反应 3.利用反应：2NO(g)+2C0(g)=2CO2(g)+ 方向移动。 N2(g)△H=+746.8kJ·mol1,可净化汽 2.据报道，在300℃、70MPa下由二氧化碳和氢 车尾气。如果要同时提高该反应的速率和NO 气合成乙醇已成为现实。 的转化率，采取的措施是 ■170 探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇学案15 A.降低温度 P 听 B.增大压强同时加催化剂 0. 06 0 课笔 C.升高温度同时充入N2 0.2 0 D.及时将CO2和N2从反应体系中移走 100200300400500 温度/℃ 4.利用H2和CO2合成甲醇：3H2(g)+C02(g) t/min 0 1 5 一一CHOH(g)十H2O(g),反应的历程如下图 n (H2)/mol 8.0 5.4 4.0 4.0 所示。下列说法正确的是 ( ) (1)△H (填“>”“<”或“=”)0。 0.95 2.73 1CH200.45 (2)写出一条可同时提高反应速率和CO的平 CO C02、H2 1.36028, 1.12/CH,OH 衡转化率的措施： H,O -1.38 co.co ·G028 -1.11 0.58CH,0i .0cm0.690CH, (3)下列说法正确的是 (填字母)。 ·CO+OH ·OCH a.温度越高，该反应的平衡常数越大 反应历程 b.达到平衡后再充入稀有气体，C0的平衡转 A.合成甲醇反应为放热反应 化率提高 B.·OCH2→·OCH3活化能为0.02eV c.容器内气体压强不再变化时，反应达到最大 C.副产物有CO、CH2O,其中CH2O相对较多 限度 D.合成甲醇反应历程中速率较慢的是·CO十 d.pp ·OH→·CO+·H2O (4)0~3min,用CHOH表示的反应速率 5.用CO和H2生成甲醇的反应为CO(g)+ v(CH,OH)= mol·L1·min-l。 2H2(g)=CHOH(g)△H,在10L恒容密 (5)200℃时，该反应的平衡常数K= mol2·L2。向上述200℃、反应达到平衡时 闭容器中按n(CO)：n(H2)=1:2充入CO 的恒容密闭容器中再加入2.0molC0、2.0 和H2,测得CO的平衡转化率与温度和压强的 molH2、2.0 mol CHOH,保持温度不变，则化 关系如图所示，200℃时n(H2)随时间的变化 学平衡 (填“正向”“逆向”或“不”) 如表所示。 移动。 课后反思 ! 7110新知应用 过程中，气体物质的量减小，压强减小，平衡逆向移动，即相 1.[答案](1)×(2)×(3)×(4)√(5)× 同温度下恒压比恒容的平衡转化率大，故②正确；合成氨反 2.C[△H<0,合成氨反应是放热反应，A项正确；△S<0,合 应气体体积减小，即为熵减小的反应，故③正确；“脱附”过程 成氨反应是嫡减小的反应，B项正确；△H一T△S<0时，反应 中需要从外界吸收热量，故④错误：过程包含四个步骤分别 能正向自发进行，故合成氨反应在低温时才能正向自发进 行，C项错误；合成氨反应为气体物质的量减小的反应，故增 为：1.分N+2H一N+3、.N+3H一 大压强，平衡正向移动，正反应放热，故降低温度，平衡正向 NH*+2H、t.NH'+2H—NH;+H、iW.NH;+ 移动，D项正确。门 H—NH,故⑤正确；通过液化分离NH,使体系中氨含 活动二 量降低，促使反应正向移动，但化学平衡常数不变，故⑥错 问题探究 误；若投入量n(N2):n(H2)=1:1,设N2的起始投料为 1.提示：即使在高温、高压下，N2和H2的化合反应仍然进行得 1mol、N2转化量为xmol,则任意时刻n(N2)=(1-x) 十分缓慢。加入催化剂，改变反应历程，降低反应的活化能，使 mol,n(H2)=(1一3.x)mol,n(NH3)=2xmol,任意时刻N2 反应物在较低温度时能较快地发生反应。提高单位时间的生 1-x 产效率，可提高经济效益。 的物质的量分数为0=x)+1-3x)+2zX100%=50%, 2.提示：N2相对易得，适度过量有利于提高H2的转化率；适当 即N2的物质的量分数为定值，不能作为平衡判据，故⑦ 提高N2比例，加快合成氨的反应速率。 正确。] 新知应用 5.[解析](1)一水合氨属于弱电解质，水溶液具有弱碱性，A 1.[答案](1)×(2)/(3)/(4)×(5)× 错误；通过“压缩机”增大压强，有利于加快反应速率，B正确； 2.D[工业合成氨中N2和H2的循环使用，可以提高原料气 “循环压缩机”能将未反应完的氨气和氢气再次循环反应，降 的利用率，降低成本，故A正确；铁触媒是该反应的催化剂， 低生产成本，提高原料转化率，C正确；反应有非极性键的断 使用铁触媒，可使氨气和氢气混合气体之间的反应在较低温 裂和极性键的生成，D错误；通过“分离器”将液氨分离，平衡 度下取得较快的反应速率，故B正确；改变温度、反应物浓 正向进行，有助于提高原料转化率，E正确。(2)纵坐标是物 度、压强均可使合成氨正、逆反应速率不同倍增大、减小，故 质的能量，反应物总能量低于生成物总能量时反应为吸热反 题述化学平衡的移动受到温度、反应物的浓度、压强等因素 应，由图像可知步骤1和步骤2为吸热反应。(3)恒容密闭容 的影响，故C正确；压强越高，对生产设备的要求越高，所需 要的投入越大，所以工业生产中，合成氨一般采用压强为 器容积不变，只有气体参与反应，气体总质量不变，由口=巴 10~30MPa,过高的压强不利于提高经济效益，故D错误。] 知混合气体的密度恒定不变不能作为平衡的标志，a不符合 课堂达标 题意；由bV=RT可知恒温恒容容器中压强与其物质的量 1.A[合成氨正反应放热，温度越高反应速率越快，但氨的产 有关，混合气体的压强恒定不变时各物质含量不变，反应达 率越低，该反应选择400~500℃进行的重要原因是催化剂在 到平衡，b符合题意；N2的体积分数恒定不变说明各物质的 500℃左右时的活性最大，A正确；在工业生产条件优化时， 含量不再变化，反应达平衡，C符合题意；投料比为4：4= 不但要考虑经济性，还要考虑环保，不能只顾生产而污染环 1：1不等于化学方程式中的计量系数，只有反应达平衡时有 境，B错误；工业合成氨的反应△H<0、△S<0,温度较低时， N2与H2的物质的量之比恒定不变，d符合题意；NH3的浓 △H一T△S<0,反应可正向自发进行，高温时可能会△H 度恒定不变说明氨的物质的量不变，反应达到平衡，符合题 T△S>0,使反应不能正向自发进行，C错误；理论上氨气越 多越好，但充入过多的氮气会造成压强过大，对设备的强度 意。(4)10min时反应达到平衡，测得NH3的物质的量为 要求更高，而且会影响到产物中氨的分离，所以充入的氦气 1.6mol,则n(N,)=4mol-1.6mol×2=3.2mol,故 要有一定的限度，D错误。] 2.C[步骤①中“净化”可以除去原料气中的杂质气体，防止杂 cN,)=n2_3.?mol=1.6mol.L,010min内， V 2L 质气体降低催化剂的催化效果，A项正确；合成氨反应是气 3 1.6 mol 体物质的量减小的反应，则步骤②中“加压”可使平衡正向移 v(H2)= 3 2u(NH,)=2×2LX10mi =0.12mol·L1 动，可提高原料转化率，增大压强，也可以使反应物浓度增 ·min。 大，则可加快反应速率，B项正确；步骤③为“催化反应”，催化 [答案](1)BCE(2)1、2(3)bcde(4)1.60.12 剂只能改变反应速率，不能使平衡移动，故不能改变平衡转 化率，C项错误；氨是制备氨肥的原料，液氨汽化时吸收热量， 学案15 探讨如何利用工业废气中的 可以作为制冷剂，D项正确。] 二氧化碳合成甲醇 3.B[①合成氨反应的正反应为放热反应，降低温度，平衡正 向移动，氮气的平衡转化率增大；②维持温度、容积不变，按 课堂活动 照物质的量之比为1：3再通入一定量的N2和H2,压强增 活动一 大，平衡正向移动，氨气的平衡转化率增大；③增加NH的物 新知导学 质的量，平衡逆向移动，N2的平衡转化率降低；④维持恒压条 1.提示：(1)将二氧化碳捕获并存储（转化为无机碳酸盐）；(2)将 件，通入一定量惰性气体，相当于减小压强，平衡逆向移动， 二氧化碳高效转化为重要化学品、能源产品和材料等。 氨气的平衡转化率降低；故选B。] 2.提示：H2或H2O。 4.A[由图像可以看出，反应物起始能量高于反应产物，因此 3.提示：(1)甲醇(CHOH)是一种基础有机化工原料；甲醇是 总反应为放热反应，故①错误；相同温度下，恒压时反应过程 21世纪具有竞争力的清洁燃料之一，它易传输，可以单独或 中体积减小，相当于增大压强，有利于正向进行，恒容时反应 与汽油混合作为汽车燃料。 14 (2)我国目前合成甲醇的主要原料—煤和重渣油都日渐减 C对；从平衡混合物中及时分离出产物，使平衡正向移动，可 少，人们正在积极寻找新的碳源来合成甲醇。 提高CO2和H2的转化率，D对。] (3)利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为 课堂达标 减少二氧化碳的排放提供一种良好的解决方法，又可为甲醇 1.B[A.根据题意可知，阳光、二氧化碳和水转化为“液态阳 的合成提供一条绿色合成的新途径。 光”过程中类似光合作用，需吸收能量，故A正确；B.煤气化 新知应用 得到的水煤气，成分为CO和H2,水煤气合成的甲醇，没有合 1.[答案](1)√(2)√(3)×(4)√(5)√ 成“液态阳光”的要素，因此不属于“液态阳光”，故B错误； 2.C[1 mol CH,OH(g)能量高于1 mol CH3OH(1),反应物的 C.“液态阳光”行动有利于可持续发展，减少温室效应，有利 总能量相同，根据能量守恒定律，若温度不变，反应①中生成 于应对气候变化，故C正确；D.“液态阳光”只需要阳光、二氧 1 mol CH3OH(1)时，放出的热量大于90.5kJ,故A错误；催 化碳和水，因此有望解决全球化石燃料不断枯竭的难题，故D 化剂可降低反应的活化能，但不改变反应的焓变，故B错误； 正确。] 根据盖斯定律反应①一反应②得反应④：CO2（g)十3H2(g) 2.D[用CO2生产甲醇，有利于减排CO2,故A项正确；根据 质量守恒定律知反应生成甲醇和水，故B项正确；CO2与H2 =CH3OH(g)+H2O(g)△H=(-90.5+41.1)kJ· 合成甲醇，甲醇在燃烧后产生二氧化碳，所以有利于碳资源 mol1=-49.4k·mol1,故C正确；结合选项C、根据盖斯 循环利用，故C项正确；催化剂只能加快反应速率，对CO2的 定律反应④×2-反应③×3得2CO2(g)十4H2O(g) 平衡转化率没有影响，故D项错误。] 2CH3OH(g)+3O2(g)△H=(-49.4×2+483.6×3)kJ· 3.B[降低温度，反应速率减慢，且平衡左移，NO的转化率降 mol1=+1352kJ·mol厂1>0，则该反应需要吸收能量，故 低，故A不符合题意；由平衡移动原理知，增大压强平衡右 D错误。] 移，NO的转化率增大，反应速率加快，加催化剂反应速率也 活动二 加快，故B符合题意；升高温度平衡右移，但是同时充入N。 新知导学 平衡左移，无法确定最终平衡向哪个方向移动，故C不符合 1.提示：高温自发。自发进行的条件：△H一T△S<0,则T> 题意；及时将CO2和N2从反应体系中移走，平衡右移，NO 41.17 42.08X10-K≈978.37K。 的转化率增大，但是反应速率减小，故D不符合题意。] 4.D[A.由图可知，反应产物总能量高于反应物总能量，该反 2.(1)增大反应物浓度高压低温增大反应物浓度高温 应为吸热反应，A项错误；B.·OCH2→·OCH2活化能为 (2)提示：①低温。因为低温有利于该反应正向自发进行，对 0.58eV-(-0.60)eV=1.18eV,B项错误；C.由图可知，副 应的△H<0,低温有利于平衡正向移动，提高反应物的平衡 产物有CO、CH2O,由于活化能越大，反应速率越慢，故CO 转化率。 相对较多，C项错误；D.活化能越大，反应速率越慢，故合成 ②高压。因为该反应的△S<0,高压既有利于平衡正向移 甲醇反应历程中速率较慢的是·CO十·OH→·CO十 动，提高反应物的平衡转化率，又有利于提高反应速率。 ·H2O,D项正确。] ③适宜的催化剂。因为该反应有副反应发生，且低温下反应 5.[解析](1)升高温度，C0的平衡转化率减小，平衡逆向移 速率不大，采用适宜的催化剂，既能抑制副反应，又能提高反 动，则说明正反应是放热反应，△H<0。(2)增大压强或增大 应速率。 氢气浓度可同时提高反应速率和CO的平衡转化率。(3) ④适当增加H2的浓度，对主反应更有利。 项，升高温度，平衡逆向移动，则该反应的平衡常数减小，错 3.(1)提示：n(H2)：n(C02)数值增大，CO2转化率变化不明 误；b项，达到化学平衡后，向恒容密闭容器中充入稀有气体， 显，为避免造成大量氢气浪费，合成甲醇时并不是n(H2)： 各物质的浓度不变，平衡不移动，C0的平衡转化率不变，错 n(CO2)的比值越大越好，文献大多选择的是n(H2)： 误；℃项，正反应为气体体积减小的反应，容器内气体压强不 再变化时，反应达到最大限度，正确；d项，由题图可知，保持 n(CO2)=3:1,可能是方程式系数和成本的综合考量，并且 温度不变，压强由p1→p2,CO的平衡转化率变大，平衡正向 更多的氢气有利于主反应的发生。 移动，又因正反应为气体体积减小的反应，则1<p2,正确。 (2)提示：①压强：温度为523K,n(H2):n(C02)=3:1,催 (4)03min,H2的消耗量为4mol,CH3OH的生成量为2 化剂为Cu/Zn/Al/Zr纳米纤维时，从图中数据变化可看出， △n 压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产 mol,则用CH,OH表示的反应速率o(CH,OH)=V,△ 成本越高。 2 mol ②温度：总压为5MPa,n(H2):n(CO2)=3:1,催化剂为 10L×3min15 mol·L-1·min1。(5)200℃时， Cu/Zn/Al/Zr纳米纤雏时，从图中数据变化可看出，温度过高 CO(g)+2H,(g)CH OH(g) 后，甲醇产率下降。 起始/(mol) 4.0 8.0 0 (3)提示：温度为553K,总压为4MPa,n(H2):n(CO2)=3: 平衡/(mol) 2.0 4.0 2.0 1,以CuO和ZnO为基体时，适当增加ZrO2和MnO可以提 0.2×0.4mol2,L=6.25m0lr2.L2;向题述200℃ 0.2 K 高甲醇的选择性和实际收率。 时达到平衡的恒容密闭容器中再加入2.0 mol CO、2.0mol 新知应用 0.4 1.[答案](1)/(2)×(3)/(4)/ H2.0mol1CH,OH,保持温度不变，Q=Q.4X0.6mo3, 2.B「催化剂能提高化学反应速率，加快反应进行，也就是提 L2≈2.8mol2·L2,Q<K,则平衡正向移动。 高了生产效率，A对：反应需在300℃下进行是为了获得较快 [答案](1)<(2)增大压强（或增大氢气浓度）(3)cd 的反应速率，不能说明反应是吸热反应还是放热反应，B错； 充入大量CO2气体，能使平衡正向移动，提高H2的转化率， (4) (5)6.25正向 151