2.4化学反应调控 课件-2025-2026学年高二上学期化学人教版选择性必修1

化学反应的调控 ——以“二氧化碳合成甲醇”为例 化学反应的调控 ——以“二氧化碳合成甲烷”为例 世界首创！ 创造历史！ 意义重大！ 资料 火箭利用自身携带的推进剂(液态氧气与燃料)发生反应，产生高速喷射的热气流来推进箭体上升。 在地球上，甲烷廉价易得，但是若将火箭往返的全部燃料从地球带入，将会大大增加航天器自身的质量，增加任务成本。以火星为例，火星距离地球(0.55~4)亿千米，仅返回火星轨道火箭所需的推进剂为数十吨。 如何降低任务成本呢？ 任务一：火星上合成甲烷反应设计 活动1：根据火星大气组成，小组讨论，设计二氧化碳合成甲烷化学反应 (温馨提示：元素守恒、价态变化)。 火星大气主要组成 气体 分子式 组成/% 二氧化碳 CO2 95.32 氮气 N2 2.7 氧气 O2 1.6 水 H2O 0.13 方案1 CO2 + 2H2O ⇌ CH4 + 2O2 方案2 CO2 + 4H2 ⇌ CH4 + 2H2O 2H2O = 2H2↑ + O2↑ 电解 反应 △H/kJ·mol-1 △S/J·mol-1·K-1 方案1 CO2(g) + 2H2O(g) ⇌CH4(g) + 2O2(g) + 890.3 - 11.1 方案2 CO2(g) + 4H2(g) ⇌CH4(g) + 2H2O (g) - 165.4 - 251.5 活动2：请选择合适的方案 任务一：火星上合成甲烷反应设计 △G = △H - T△S △G＜0，反应自发进行 × √ 任务二：火星上合成甲烷反应条件选择 CO2(g) + 4H2(g) ⇌ CH4(g) + 2H2O(g) △H = - 165.4kJ·mol-1 活动1：在进行工业生产时，你认为要考虑哪些因素？ 理论知识 工业实际 速率 产率或 转化率 绿色环保、安全技术等 成本、能耗、 物料循环 多 快 好 省 2H2O = 2H2↑ + O2↑ 电解 综合条件选择 浓度 温度 压强 催化剂 任务二：火星上合成甲烷反应条件选择 活动2.请为你选择的实验方案选择反应条件 原理分析 对反应的影响 影响因素 浓度(投料比) 温度 压强 催化剂 增大反应速率 提高 平衡转化率 提高平衡时CH4百分含量 综合条件选择 CO2(g) + 4H2(g) ⇌ CH4(g) + 2H2O(g) △H = - 165.4kJ·mol-1 实践是检验真理的唯一标准！ 任务三：火星上合成甲烷反应条件优化 压强越大，对材料的强度和设备制造要求就越高，需要的动力也越大，这将会大大增加生产投资，并可能降低综合经济效益。 思考：若你是本项目的技术总监，你认为选择多大压强合适，为什么？ 压强：20atm —— 30atm CO2(g) + 4H2(g) ⇌ CH4(g) + 2H2O(g) △H = - 165.4kJ·mol-1 活动1. 从压强分析 H2转化率 温度（℃） 避免压强过低，反应速率和转化率较小；压强过大，成本增加过多。 任务三：火星上合成甲烷反应条件优化 向固定容器中通入体积比为1:4的CO2和H2，在一定温度下反应2小时，根据反应方程式，CO2转化率与CH4产率相等，但CO2转化率却高于CH4产率，可能原因？ 活动1. 从压强分析 CO2(g) + 4H2(g) ⇌ CH4(g) + 2H2O(g) △H = - 165.4kJ·mol-1 副反应：CO2(g) + H2(g) ⇌ CO(g) + H2O(g) ∆H = + 41.17kJ·mol-1 H2转化率 CH4 产 率 任务三：火星上合成甲烷反应条件优化 思考： 1.在1atm时，随着温度升高，H2转化率呈现了先减小后增大的趋势，请你分析可能的原因。 2.你认为生产时的温度选择多少比较合适？ 主反应：CO2(g) + 4H2(g) ⇌ CH4(g) + 2H2O(g) △H = - 165.4kJ·mol-1 活动2. 从温度分析 副反应：CO2(g) + H2(g) ⇌ CO(g) + H2O(g) ∆H = + 41.17kJ·mol-1 H2转化率 温度（℃） 1.CO2合成CH4反应放热，CO2生成CO反应吸热。低于600℃时，主要发生主反应，随着温度升高，平衡逆向移动，H2转化率降低；高于600℃，主要发生副反应，随着温度升高，平衡正向移动，H2转化率增大。 2.300 —— 400℃ 任务三：火星上合成甲烷反应条件优化 活动3:你若是本项目负责人，你会哪组催化剂? 各种催化剂用于CO2甲烷化的优缺点 催化剂 优点 缺点 Ru-Al2O3 优越的CO2催化活性；高金属分散度；高稳定性；高选择性 高价格 Rh-Al2O3 高选择性 低产率，高价格 Ni-Al2O3 价格低、高选择性 高温下烧结，可能导致催化剂中毒 Fe-Al2O3 高产率；低价格 活性催化点位容易改变；反应时稳定性差；选择性较差 Co-Al2O3 高选择性 价格高于Fe 基催化剂和 Ni 基催化剂，高温下稳定性差 活动4：总结火星合成甲烷的最佳反应条件 n(H2):n(CO2) ＜ 4:1 压强: 2 MPa ~ 3 MPa 温度：300 ~ 400℃ 催化剂：Ru-Al2O3 任务三：火星上合成甲烷反应条件优化 任务四：反思总结 活动1：总结化学反应调控的一般思路 反应设计 条件选择 条件优化 元素 价态 自发性判断 （△H - T△S） 定性 定量 多 快 好 省 化学平衡移动 化学反应速率 工业生产绿色工艺、 安全、技术等 设备成本、能耗、 物料循环等 浓度 温度 压强 催化剂 目前，二氧化碳甲烷化的反应机理仍然是一个科学之谜，二氧化碳甲烷化在地还未投入工业化生产，在太空完成二氧化碳甲烷更远！我国在《国家太空探索活动报告》中提出，计划在2050年前突破行星表面推进剂合成技术! 理论变成现实，我们还有很长的路要走! 请你从环保和能源角度说明二氧化碳甲烷化研究的意义？ 习近平总书记在党的二十大报告中明确提到2035年我国发展的总体目标，其中之一是“碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国目标基本实现”。 课后评价： N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g) △H = - 92.4kJ·mol-1 目前我国工业合成氨选择条件为：压强10MPa~30MPa，温度400~500℃，催化剂为铁触媒（500℃活性最大)。 请你根据合成氨的反应特点，分析为什么会选择这一条件。 $