1、二氧化碳合成甲醇的设计与探究【情境创设】素养解读甲醇(CH3OH)是一种基础有机化工原料，广泛应用于有机合成、医药、农药、染料、高分子等化工生产领域，其消费量在有机原料中仅次于乙烯、丙烯和苯，位居第四位。随着能源结构的改变，甲醇将成为21世纪具有竞争力的清洁燃料之一。它易传输，可以单独或与汽油混合作为汽车燃料。目前，世界上大多数国家以天然气为主要原料来合成甲醇，在我国则是以煤和重渣油为主要原料。这些原料都日渐减少，人们正在积极寻找新的碳源来合成甲醇。1素养要求科学探究与创新意识：能发现和提出有探究价值的问题；能从问题和假设出发，依据探究目的，设计探究方案。2素养目标：通过“二氧化碳合成甲醇的探
2、究”，学习利用化学反应速率、化学平衡、化学反应方向解决工业生产中的实际问题，培养自主探究的能力与创新意识。【探究过程】素养评价【探究任务一：方案设计】(1)判断所设计化学反应能否自发进行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，你可能设计出以下两个反应。CO2(g)3H2(g)=CH3OH(g)H2O(g)CO2(g)2H2O(g)=CH3OH(g)O2(g)反应H/(kJmol1)S/(Jmol1K1)48.97177.16676.4843.87注：反应条件为温度298 K，各气体分压100 kPa。请运用焓变、熵变的相关知识，判断以上两个反应能否正向自发进行。提
3、示反应，HTS48.97 kJmol1298 K(0.177 16 kJmol1K1)3.82 kJmol10，该反应属于放热熵减反应，降低温度时正向反应自发进行。反应，HTS676.48 kJmol1298 K(0.043 87 kJmol1K1)689.55 kJmol10，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。【探究任务二：选择适宜的生产条件】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)该反应的焓变为41.17 kJmol1、熵变为42.08 Jmol1K1，为吸热的熵增加反应。由“HTS判断”可知，高
4、温下该反应能正向自发进行。对于选定的反应，在初步判断其可以在一定温度和压强下正向自发进行后，我们还需要结合理论分析和实验数据，选择适宜的反应条件，促进主反应，抑制副反应，以尽可能高效率地获得预期产物。(2)为了提高甲醇的产率和反应速率，减少副反应的发生，在选择适宜的反应条件时，你会考虑哪些影响因素？这些因素可能对主反应和副反应产生什么影响？你预测的理论依据是什么？提示在选择反应条件时需要考虑温度、浓度、压强、催化剂等影响因素。分析总压的影响可知，对于g0的反应，增大总压，有利于该反应的平衡正向移动。但对于g0的副反应，总压的改变不会使其平衡移动。因此，增大总压，甲醇的产率会提高。从温度角度看，
5、升温不利于放热的主反应正向进行，不利于该平衡的正向移动，但利于吸热的副反应正向进行，利于其平衡的正向移动。因此，温度越高，甲醇的产率越低。(3)综合各方面的因素，为反应选择适宜的反应条件。以真实的工业生产为目标，你还可以提出哪些手段提高甲醇的产率？提示配置二氧化碳富集装置、甲醇与水的分离装置，以及副产物一氧化碳的回收循环装置等，来提高甲醇的产率。【项目成果展示】概述针对目标的化学反应设计过程及理论依据科学探究水平1：能利用焓变、熵变判断化学反应进行的方向。科学探究水平2：具有较强的问题意识，能与同学讨论设计的思路和提出实验后的想法，独立完成探究任务，交流探究成果。证据推理水平3：能依据反应特征寻找充足的证据，能解释证据和结论之间的关系。证据推理水平4：能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型。
