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-【正禾一本通】2025-2026学年高二化学选择性必修1同步课堂高效讲义教师用书（鲁教版单选）

微项目　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 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 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。 4．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)＋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 一、选择合适的化学反应 1．请根据焓变和熵变复合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，在低温下正向反应自发进行。 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．预测若要加快主反应：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)的反应速率，理论上应该选择的条件是什么？ 提示：　高温、高压、加入催化剂。 2．预测若要增加主反应：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.97 kJ·mol-1中甲醇的产率，理论上应该选择的条件是什么？ 提示：　低温、高压、分离出产品甲醇。 3．主反应：CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.97 kJ·mol-1 副反应：CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·mol-1，如何通过控制条件使主反应发生而抑制副反应的发生？ 提示：　由于主反应需要在低温下才能自发进行，而副反应需要在高温条件下自发，因此应该控制温度不宜过高，同时选择合适的催化剂，增大对主反应的选择性。 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、使用催化剂可加快合成甲醇反应的速率。 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)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(CO2)＝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。 (1)从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应选择合适的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，可提高甲醇的产率的手段还有：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。　　 3．化工生产适宜条件选择的一般原则 条件 原则 从化学反应速率分析 既不能过快，又不能太慢 从化学平衡移动分析 既要注意外界条件对速率和平衡影响的一致性，又要注意二者影响的矛盾性 从原料的利用率分析 增加易得廉价原料，提高难得高价原料的利用率，循环利用从而降低生产成本 从实际生产能力分析 如设备承受高温、高压的能力等 从催化剂的使用分析 ①防止催化剂中毒，增加乳化装置 ②温度对催化剂活性的影响 ③应用催化剂的选择性，控制副反应，提高产率，降低生产成本 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(　　) 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 ℃，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低 B　[化学反应速率随温度的升高而加快，由题图可知，当温度高于250 ℃时，催化剂的催化效率随温度的升高而降低，所以M点的正反应速率v（正）有可能小于N点的逆反应速率v（逆），A错误；设开始投料时n(H2)为4 mol，则n(CO2)为1 mol，在M点对应的平衡体系中二氧化碳的转化率为50%，列三段式得： 　　　　　　6H2(g)＋2CO2(g)⥫⥬CH2==CH2(g)＋4H2O(g) 开始/mol 4 1 0 0 转化/mol 1.5 0.5 0.25 1 平衡/mol 2.5 0.5 0.25 1 所以乙烯的体积分数为×100%≈5.88%，B正确；催化剂不影响平衡转化率，只影响化学反应速率，C错误；根据题图可知，当温度高于250 ℃时，升高温度二氧化碳的平衡转化率降低，则说明平衡逆向移动，但催化剂的催化效率与化学平衡没有关系，并不是平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低，D错误。] 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：CO　　　H2（填“＞”、“＜”或“＝”）。 (4)下列措施中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．加入等物质的量的CO和H2 解析：　(1)由图像可知，相同温度下，p2压强下CO的平衡转化率大于p1压强下CO的平衡转化率，正反应是气体体积减小的反应，压强增大，平衡正向移动，所以p1＜p2。 (2)　　　　　　　　CO(g)＋2H2(g)⥫⥬CH3OH(g) 开始物质的量/mol a 2a 0 转化物质的量/mol 0.75a 1.5a 0.75a 平衡物质的量/mol 0.25a 0.5a 0.75a 平衡时CO的浓度为 mol·L-1、H2的浓度为 mol·L-1、CH3OH的浓度为 mol·L-1，平衡常数K＝，代入数据得K＝ (mol·L-1)-2。(3)CO和H2的初始加入量之比为1∶2，等于其系数之比，故CO和H2的转化率相等。(4)使用高效催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡的移动，故A错误；降低反应温度，反应速率减慢，故B错误；增大体系压强，反应速率加快，平衡正向移动，CO的转化率增大，故C正确；不断将CH3OH从反应混合物中分离出来，降低浓度，反应速率减慢，故D错误；加入等物质的量的CO和H2，反应速率增大，但CO的转化率降低，故E错误。 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) (mol·L-1)-2　(3)＝　(4)C 学科网（北京）股份有限公司 $