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-（配套教参）【精讲精练】2026-2027学年高中化学选择性必修第一册（鲁科版）

本讲义聚焦利用工业废气中CO₂合成甲醇的核心知识点，通过项目活动1从反应自发性（ΔH、ΔS、ΔG计算）对比选择反应①，项目活动2结合化学平衡与速率、副反应影响优化反应条件（温度、压强等），辅以练习题构建完整知识脉络。 该资料以真实工业情境为载体，通过数据计算论证反应选择、多因素综合分析条件优化，培养科学思维与探究能力，体现绿色化学理念渗透科学态度与责任。课中助力教师引导学生深度思考，课后练习题帮助学生巩固平衡计算等知识，查漏补缺。

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 项目活动1　选择合适的化学反应 甲醇是一种重要的基础有机化工原料。利用含有二氧化碳气体的工业废气为碳源合成甲醇，既可以减少二氧化碳的排放，又可以为甲醇的合成提供一条绿色合成的新途径。 利用二氧化碳合成甲醇，还需要寻找氢源。如果选取常见的水或氢气作为氢源，可能设计出以下两个反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋O2(g) 1．试分析反应①和②有何特点？ 提示：反应①是一个正向放热且气体体积减小(熵减)的气体反应。反应②是一个正向吸热且气体体积减小(熵减)的气体反应。 2．已知两个反应的焓变和熵变如下表： 反应 ΔH/(kJ·mol－1) ΔS/(J·mol－1·K－1) ① －48.97 －177.16 ② ＋676.48 －43.87 注：反应条件为温度298 K，各气体分压100 kPa。 假设反应焓变和熵变的数值不随温度改变而变化。请根据表中提供的数据和相关知识，通过计算判断以上两个反应能否正向自发进行。 提示：反应①：ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·mol－1－298 K×(－177.16×10－3 kJ·mol－1·K－1)≈＋3.82 kJ·mol－1>0，反应正向不能自发进行。若降低温度可使反应正向自发进行。 反应②：ΔH－TΔS＝＋676.48 kJ·mol－1－298 K×(－43.87×10－3 kJ·mol－1·K－1)≈＋689.55 kJ·mol－1>0，反应正向不能自发进行，即对于吸热且熵减小的反应②，任何温度下都不能正向自发进行。 3．根据以上分析，你认为反应①和②哪个反应更适宜于甲醇的工业生产？请说明理由。 提示：根据第2问计算所得数据可知，反应①低温下能正向自发进行；而反应②不能通过改变温度使其正向自发进行。因此，工业上可以利用工业废气中的二氧化碳为原料，利用反应①合成甲醇。 项目活动2　选择适宜的反应条件 研究发现，二氧化碳和氢气反应合成甲醇时，通常还伴随发生以下副反应： CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g)　ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1，ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1。 1．在选择适宜的反应条件时，应当主要考虑哪些因素？请尝试为以二氧化碳和氢气为原料工业生产甲醇的反应选择适宜的反应条件并说明理由。 提示：在选择适宜的反应条件时，一要考虑尽可能增大反应程度提高原料利用率和加快反应速率提高生产效率，还要考虑尽可能地减少副反应的发生提高产品纯度。选择反应CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH ＝－48.97 kJ·mol－1的条件及理由如下： 提高反应的平衡转化率 提高化学反应速率 性质 措施 性质 措施 放热 低温 活化能高 使用合适的催化剂 分子数减小 高压 低温时反应速率低 高温 反应 可逆 原料循 环利用 原料气浓度增大 能提高反应速率 增大原料气浓度 — — 甲醇浓度增加 能降低反应速率 分离出 甲醇 2.利用相关理论和资料卡片所提供的实验数据论证教材中四位同学的观点，并对他们的观点和论证过程进行分析、评价，帮助他们完善论证并提出生产的适宜条件。 提示：几位同学都从不同的方面对合成甲醇反应CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－48.97 kJ·mol－1进行了分析。实际工业生产中，选择适宜的反应条件时，一般要从化学平衡和化学反应速率、主反应和副反应等多个方面综合考虑，并依据有关理论和实验数据对所选择的条件进行论证。既要考虑尽量增大反应物的转化率，充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产率，同时还要考虑设备的要求和技术条件。综合分析所有因素，工业生产中合成甲醇的适宜条件如下： (1)浓度：适当增大反应物浓度，及时分离出甲醇，保持投料比n(H2)∶n(CO2)＝3∶1左右。 (2)压强：不宜过高，一般采用总压2～5 MPa。 (3)温度：考虑到甲醇的产率和催化剂的活性，一般选用520 K左右的温度。 (4)催化剂：考虑到催化剂的选择性和高效性，一般使用以Cu、CuO为主要活性成分的铜基催化剂。 (5)辅助措施：实际工业生产过程中，还需要考虑成本、工艺、安全性等多方面因素等。 3．在为工业生产选择适宜条件时，你认为需要从哪些角度进行综合分析，在分析过程中应注意哪些问题？ 提示：在工业生产中除了要考虑增大反应程度提高原料利用率、加快反应速率提高生产效率等外，还要考虑生产成本、工艺、安全性等多方面的因素。在分析过程中应注意以下问题：①既要注意外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性。②既要注意温度和催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性和选择性对温度的要求。③既要注意理论上的需求，又要考虑到实际生产的可能性和绿色化学理念的应用。 1．选择优化工业生产条件的思路 2．利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇的条件优化 1．工业上制备合成气的工艺主要是水蒸气重整甲烷：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)　ΔH>0，在一定条件下，向体积为1 L的密闭容器中充入1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)，测得H2O(g)和H2(g)的浓度随时间变化曲线如图所示，下列说法正确的是(　　) A．达到平衡时，CH4(g)的转化率为75% B．0～10 min内，v(CO)＝0.075 mol·L－1·min－1 C．该反应的化学平衡常数K＝0.187 5 mol2·L－2 D．当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率相等时，反应达到平衡 解析　C　由图可知，10 min时反应达到平衡，平衡时水蒸气和氢气的浓度均为0.75 mol·L－1，则： CH4（g）＋H2O（g）CO（g）＋3H2（g） 开始/（mol·L－1） 1 1 0 0 转化/（mol·L－1） 0.25 0.25 0.25 0.75 平衡/（mol·L－1） 0.75 0.75 0.25 0.75 平衡时甲烷转化率＝×100%＝25%，A项错误；0～10 min内，v(CO)＝＝0.025 mol·L－1·min－1，B项错误；平衡常数K＝＝＝0.187 5(mol·L－1)2，C项正确；同一物质的消耗速率与其生成速率相等时，反应达到平衡，由方程式可知当CH4(g)的消耗速率与H2(g)的消耗速率为1∶3时，反应达到平衡，D项错误。 2．T ℃时，在1 L的密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2，一定条件下发生反应：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－49.1 kJ·mol－1，测得H2和CH3OH(g)的浓度随时间变化如下表所示。下列说法不正确的是(　　) 时间/ min v(正)和 v(逆)比较 t0 6 0 ？ t1 3 1 v(正)＝v(逆) A.t0～t1时间内v(H2)＝mol·L－1·min－1 B．t1时，若升高温度或再充入CO2气体，都可以提高H2的转化率 C．t0时，v(正)＞v(逆) D．T ℃时，题给反应的平衡常数K＝，CO2与H2的转化率相等 解析　B　t0～t1时间内v(H2)＝ mol·L－1·min－1，A正确；由表中信息可知t1时该反应达到平衡状态，由于正反应是放热的反应，若t1时升高温度，则平衡要向逆方向移动，H2的转化率要减小，故B错误；t0时，反应向正反应方向进行，故v(正)>v(逆)，故C正确；D项，t1时反应处于平衡状态，CO2、H2、CH3OH(g)、H2O(g)的平衡浓度分别为1 mol·L－1、3 mol·L－1、1 mol·L－1、1 mol·L－1，所以该反应的平衡常数K＝，由于反应物的投料之比等于其化学式前的系数之比，所以达到平衡时CO2与H2的转化率相等，均为50%，故D正确。 3．在恒容密闭容器中，由CO合成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)，在其他条件不变的情况下研究温度对反应的影响，实验结果如图所示，下列说法正确的是(　　) A．平衡常数K＝ B．该反应在T1时的平衡常数比T2时的小 C．CO合成甲醇的反应为吸热反应 D．处于A点的反应体系从T1变到T2，达到平衡时增大 解析　D　因题给反应的方程式中氢气前的系数为2，则该反应的平衡常数的表达式为K＝，A错误；由图像可知，反应从T2到T1时，甲醇的物质的量增大，根据平衡常数的计算式可知T1时的平衡常数比T2时的大，B错误；由图像可知在T2温度下反应先达到平衡，反应速率较T1快，则有T2＞T1，从图像的纵坐标分析可得温度降低，平衡向正反应方向移动，则正反应为放热反应，C错误；处于A点的反应体系从T1变到T2的过程中，平衡向逆反应方向移动，则c平(H2)增大，而c平(CH3OH)减小，达到平衡时应该增大，D正确。 4．甲醇既是重要的化工原料，又可作为燃料。利用合成气(主要成分为CO、CO2和H2)在催化剂作用下合成甲醇。发生的主要反应如下： ①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH1＝－99 kJ·mol－1 ②CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH2＝－58 kJ·mol－1 ③CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g) ΔH3＝＋41 kJ·mol－1 回答下列问题： (1)反应①的化学平衡常数K的表达式为____________________；图1中能正确反映平衡常数K随温度变化关系的曲线为________(填曲线标记字母)，其判断理由是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。 (2)合成气组成＝2.60时，体系中的CO平衡转化率(α)与温度和压强的关系如图2所示。α(CO)值随温度升高而__________(填“增大”或“减小”)，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________； 图2中的压强由大到小为__________，其判断理由是_______________________ _________________________________________________。 解析　(1)根据化学平衡常数的书写要求可知，反应①的化学平衡常数为K＝。反应①为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，平衡常数K减小，故曲线a符合要求。 (2)由图2可知，压强一定时，CO的平衡转化率随温度的升高而减小，其原因是反应①为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，反应③为吸热反应，温度升高，平衡正向移动，又使产生CO的量增大，而总结果是随温度升高，CO的转化率减小。反应①的正反应为气体总分子数减小的反应，温度一定时，增大压强，平衡正向移动，CO的平衡转化率增大，而反应③为气体总分子数不变的反应，产生CO的量不受压强的影响，因此增大压强时，CO的转化率提高，故压强p1、p2、p3的关系为p1<p2<p3。 答案　(1)K＝[或Kp＝]　a　反应①为放热反应，平衡常数应随温度升高变小 (2)减小　升高温度时，反应①为放热反应，平衡向左移动，使得体系中CO的量增大；反应③为吸热反应，平衡向右移动，又使产生CO的量增大；总结果，随温度升高，使CO的转化率降低　p3>p2>p1　相同温度下，由于反应①为气体分子数减小的反应，加压有利于提升CO的转化率；而反应③为气体分子数不变的反应，产生CO的量不受压强影响。故增大压强时，有利于CO的转化率升高 学科网（北京）股份有限公司 $