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(Word学生用书)-【学霸笔记·同步精讲】2026-2027学年高中化学选择性必修第一册（鲁科版）

该高中化学导学案围绕利用工业废气中CO₂合成甲醇展开，核心涉及化学反应选择（焓变、熵变判断自发性）与条件优化（温度、压强、催化剂、原料比），通过工业废气处理实际问题导入，连接化学热力学与动力学知识，以问题链搭建学习支架，引导学生综合分析反应方向、限度及速率。 特色在于真实情境驱动的探究式学习，含反应自发性计算、条件优化数据分析（如温度压强对产率影响图、催化剂组成表格）等活动，培养科学思维（证据推理、模型建构）与科学探究能力，融入绿色化学理念，习题结合图表数据，提升解决实际问题的科学态度与责任。

　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.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.通过本项目的学习，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之一。 1.选择合适的化学反应 （1）选择二氧化碳合成甲醇的原因 ①目前有机原料按消费量排序，前4位是乙烯、丙烯、苯、　　　　。 ②现在合成甲醇的原料 大多数国家以　　　　　为主要原料，我国则是以　　　　　　　为主要原料。 ③选择CO2作碳源合成甲醇的原因 a．工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题。 b．天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少。 c．用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。 （2）设计适于工业生产的化学反应考虑的角度 ①反应在指定条件下能否　　　　　　。 ②考虑原料的　　　　等。 2.选择适宜的反应条件 （1）化学反应适宜条件选择的原则 一般要从　　　　　　　　　　　　　　等多个方面综合考虑，并根据有关理论和实验数据对所选择的条件进行论证。 例如： 选择温度时 要综合考虑温度对　　　　　　　　、　　　　　　　和　　　　　　　的影响 考虑调控反应体系中各组分浓度、促使平衡正向移动时 需要考虑如何避免或减少　　　　　　　及如何选择性地促进　　　　　　　　 （2）催化剂 寻找催化效率高、　　　　　　的催化剂，有效缩短到达平衡的时间，在尽可能短的时间内获得尽量多的产物。 （3）其他条件 工业生产中，还要考虑　　　　　　　　　等方面因素。 一、选择合适的化学反应 　利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇，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）　ΔH＜0 ②CO2（g）＋2H2O（g）⇌CH3OH（g）＋O2（g）　ΔH＞0 【交流讨论】 1.根据外界条件对化学平衡影响的一般规律，你认为反应①和②分别采取哪些措施有利于甲醇的生成？ 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：（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。 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？ 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。 二、选择适宜的反应条件 研究发现，以二氧化碳和氢气为原料合成甲醇时，通常还伴随着以下副反应： CO2（g）＋H2（g）CO（g）＋H2O（g） 298 K时，该反应的焓变为＋41.17 kJ•mol－1，熵变为＋42.08 J•mol－l•K－1。 【交流讨论】 1.在一定条件下测得不同的H2和CO2投料比体系中甲醇的产率如下： 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 注：α为转化率，φ为产率，反应条件为温度 553 K、总压 2 MPa，无催化剂。 从上述数据中你能得到什么结论？ 2.如图分别是压强和温度对反应①中甲醇产率的影响。 不同总压对甲醇产率的影响　不同温度对甲醇产率的影响 （1）在实际生产中是不是压强越大越好？ （2）请分析甲醇的产率在温度为523 K时最高的原因。 3.如表是不同的催化剂组成对甲醇产率的影响和选择性的影响。 催化剂组成的改变对甲醇产率和选择性的影响 组成 CuO/ （wt．%） ZnO/ （wt．%） Al2O3/ （wt．%） ZrO2/ （wt．%） MnO/ （wt．%） φ（CH3OH）/ ［g•（kg－催化 剂）－1•h－1］ 选择性/% CuO/ ZnO/ Al2O3 65.8 26.3 7.9 0 0 78 40 CuO/ ZnO/ ZrO2 62.4 25.0 0 12.6 0 96 88 CuO/ ZnO/ ZrO2/ MnO 65.8 26.6 0 3.6 4 88 100 CuO/ ZnO/ ZrO2/ MnO 65.8 26.6 0 5.6 2 138 91 注：反应条件为n（H2）∶n（CO2）=3∶1，温度553 K，总压4 MPa；wt．%：质量分数；选择性：生成甲醇的二氧化碳在全部二氧化碳反应物中所占的比例。 从表格中的数据能得出什么结论？ 归纳总结 工业生产适宜条件优化，针对目标化学反应设计过程及理论依据过程 1.据报道，在300 ℃、70 MPa下由二氧化碳和氢气合成乙醇已成为现实。 2CO2（g）＋6H2（g）⇌CH3CH2OH（g）＋3H2O（g） 下列叙述错误的是（　　） A．使用Cu－Zn－Fe催化剂可大大提高生产效率 B．由反应需在300 ℃下进行可推测该反应是吸热反应 C．充入大量CO2气体可提高H2的转化率 D．从平衡混合气体中分离出CH3CH2OH和H2O可提高CO2和H2的利用率 2.一定条件下合成乙烯：6H2（g）＋2CO2（g）⇌CH2CH2（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所示。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约为5.88% C.250 ℃时，催化剂对CO2平衡转化率的影响最大 D．当温度高于250 ℃时，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低 3.甲醇是重要的化工原料。利用合成气（主要成分为CO、CO2和H2）在催化剂的作用下合成甲醇，可能发生的反应如下： ⅰ．CO2（g）＋3H2（g）⇌CH3OH（g）＋H2O（g）　ΔH1 ⅱ．CO2（g）＋H2（g）⇌CO（g）＋H2O（g）　ΔH2 ⅲ．CH3OH（g）⇌CO（g）＋2H2（g）　ΔH3 回答下列问题： （1）已知反应ⅱ中相关化学键键能数据如下： 化学键 H—H CO CO H—O E/（kJ•mol－1） 436 803 1 076 465 由此计算ΔH2=　　　　kJ•mol－1。已知ΔH3=＋99 kJ•mol－1，则ΔH1=　　　　kJ•mol－1。 （2）一定比例的合成气在装有催化剂的反应器中反应12小时。体系中甲醇的产率和催化剂的催化活性与温度的关系如图1所示。 ①温度为470 K时，图中P点　　　　（填“是”或“不是”）处于平衡状态。在490 K之前，甲醇产率随着温度升高而增大的原因是 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　； 490 K之后，甲醇产率下降的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 ②一定能提高甲醇产率的措施是　　　　　（填字母）。 A．增大压强　 B．升高温度 C．选择合适催化剂　 D．加入大量催化剂 （3）图2为一定比例的CO2/H2、CO/H2、CO/CO2/H2条件下甲醇生成速率与温度的关系。 490 K时，根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是　　　　（填“Ⅰ”或“Ⅱ”）。 Ⅰ．CO2COCH3OH Ⅱ．COCO2CH3OH＋H2O 完成课后作业　阶段重点练（二） 答案 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.（1）①甲醇　②天然气　煤和重渣油　（2）①正向自发进行　②来源　2.（1）化学平衡和化学反应速率，主反应和副反应　平衡移动方向　反应速率　催化剂活性　副反应的发生　主反应正向移动　（2）选择性高　（3）成本、工艺、安全性 探究活动 一、 交流讨论 1.提示：反应①降低温度、增大压强有利于化学平衡向生成甲醇的方向移动。反应②升高温度、增大压强有利于化学平衡向生成甲醇的方向移动。 2.提示：反应①：ΔH－TΔS=－48.97 kJ•mol－1－298 K×（－177.16×10－3kJ•mol－1•K－1）≈＋3.82 kJ•mol－1＞0，反应不能正向自发进行。若降低温度可促进反应正向自发进行。 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，反应不能正向自发进行，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.提示：根据第3问计算所得数据可知，反应①为放热且熵减小的反应，低温下能正向自发进行；而反应②为吸热且熵减小的反应，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。 二、 交流讨论 1.提示：从上述表格中能够得到的结论是增大氢气的比例可以提高CO2的转化率和甲醇的产率。 2.（1）提示：不是。要考虑生产的实际，选择合适的压强，如动力和设备的承受力等方面。 （2）提示：在523 K之前，随温度的升高反应速率加快，使甲醇产率增大；超过523 K时，甲醇的产率降低的原因可能是催化剂的活性降低、副反应的发生等。 3.提示：改变催化剂的组成，可以有效地提高甲醇的产率和选择性。 对点训练 1.B　催化剂能提高化学反应速率，加快反应进行，也就是提高了生产效率，A正确；反应需在300 ℃下进行是为了获得较快的反应速率，不能说明反应是吸热还是放热，B错误；充入大量CO2气体，能使平衡正向移动，提高H2的转化率，C正确；从平衡混合物中及时分离出产物，使平衡正向移动，可提高CO2和H2的转化率，D正确。 2.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）⇌CH2CH2（g）＋4H2O（g） 开始物质 的量/mol　 4　　　 1　　　　　　0　 　　　 　 0 转化物质 的量/mol 　1.5　　 0.5　　　 　 0.25　　 　 　 1 平衡物质 的量/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。 3.（1）＋36　－63 （2）①不是　温度越高化学反应速率越快　升高温度，反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低　②A （3）Ⅱ 解析：（1）CO2（g）＋H2（g）⇌CO（g）＋H2O（g）　ΔH2，反应热=反应物总键能－反应产物总键能，故ΔH2=（2×803＋436）kJ•mol－1－（1 076＋2×465）kJ•mol－1=＋36 kJ•mol－1；根据盖斯定律由ⅱ－ⅲ=ⅰ，故ΔH1=ΔH2－ΔH3=＋36 kJ•mol－1－（＋99 kJ•mol－1）=－63 kJ•mol－1。（2）①温度为470 K时，图中P点不是处于平衡状态。在490 K之前，甲醇产率随着温度升高而增大的原因是温度越高化学反应速率越快；490 K之后，甲醇产率下降的原因是升高温度，反应ⅰ逆向移动、催化剂活性降低；②A项，增大压强，反应ⅰ平衡正向移动，正确；B项，由题图可知，温度高于490 K甲醇产率降低，错误；C项，选择合适催化剂，反应生成甲醇，提高反应速率，但不影响甲醇产率，错误；D项，加入大量催化剂，不能影响平衡，错误。（3）490 K时，从甲醇的生成速率来看，a曲线大于c曲线，即甲醇来源于CO2和H2，故490 K时，根据曲线a、c判断合成甲醇的反应机理是Ⅱ。 5 / 5 学科网（北京）股份有限公司 $