1、项目任务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【项目情境】素养解读随着现代工业的快速发展，工业废气的排放量日益增大，带来的环境问题日益严重。二氧化碳是工业废气中的常见物质，有关二氧化碳的综合开发利用越来越受到人们的关注。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
2、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。如果利用含二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为减少二氧化碳的排放提供一种好的解决方法，又可为甲醇的合成提供一条绿色合成的新途径，是十分有意义的。1核心素养(1)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，运用化学实验等方法进行实验探究。(2)变化观念与平衡思想：能认识物质是运动和变化的，知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定规律；认识化学变化的本质特征是有新物质生成，并伴有能量转化；认识化学变化有一定限度、速率，是可以调控的。能多角度、动态地分析化学变化，运用化学反应原理解决简单的实
3、际问题。(3)证据推理与模型认知：建立观点、结论和证据之间的关系。知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。(4)科学态度与社会责任：深刻认识化学对创造更多物质财富和精神财富、满足人民日益增长的美好生活需要的重大贡献；具有节约资源、保护环境的可持续发展意识，从自身做起，形成简约适度、绿色低碳的生活方式；能对与化学有关的社会热点问题作出正确的价值判断，能参与有关化学问题的社会实践活动。2素养目标(1)通过以工业废气中的二氧化碳为原料合成甲醇反应的自发性判断和条件选择，体会焓变、熵变、化学平衡和反应速率等
4、相关知识的应用价值，逐步形成化学学科的变化观念与平衡思想及科学态度与社会责任的学科核心素养。(2)在设计反应、判断方向性和选择条件的活动过程中，综合利用相关知识分析、解决有关问题，初步形成解决这类问题的一般思路并掌握有关的方法，从而形成证据推理与模型认知的学科核心素养。(3)通过本项目的学习，树立绿色化学观念，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，体验化学学科的科学态度与社会责任的学科核心素养。【探究过程】素养评价【探究任务一】选择合适的化学反应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：CO2(g)3H2(g)CH3
5、OH(g)H2O(g)H48.97 kJmol1S177.16 Jmol1K1CO2(g)2H2O(g)CH3OH(g)O2(g)H676.48 kJmol1S43.87 Jmol1K1CO2(g)H2(g)CO(g)H2O(g)H41.17 kJmol1S42.08 Jmol1K1交流讨论以下问题：1请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发进行？提示反应，HTS48.97 kJmol1298 K(0.177 16) kJmol1K13.82 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)kJ
6、mol1K1689.55 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。反应，HTS41.17 kJmol1298 K0.042 08 kJmol1K128.63 kJmol10，该反应属于吸热熵增反应，在高温下正向反应自发进行。2工业上如何将CO2合成甲醇？用CO2合成甲醇时发生的反应有哪些？提示通过化学反应将CO2与氢源(H2或H2O)在催化剂条件下合成甲醇。有反应、，其中反应是较高温度时的副反应。1变化观念与平衡思想水平能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。【探究任务二】选择适宜的反应条件合成甲醇的反应为
7、CO2(g)3H2(g)CH3OH(g)H2O(g)H48.97 kJmol1S177.16 Jmol1K1交流讨论以下问题：1该反应在低温时自发进行，vg0，加压有利于合成甲醇。据此可知，从反应限度(转化率)角度看，合成甲醇应选择什么条件？提示需在低温、高压条件下进行。2从反应反应速率角度看，合成甲醇应选择什么条件？提示为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化剂均可加快反应速率。3从反应限度(转化率)和反应速率这两个角度选择反应条件有什么矛盾？怎么解决？提示矛盾之处：升温，不利于反应的平衡正向移动，同时副反应正向移动，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
8、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。【探究任务三】举例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)21315171(CO2)/%11.6313.6815.9318.71(CH3OH)/%3.044.125.266.93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)改变压强对反应的
9、影响不同总压对甲醇产率的影响523 K，n(H2)n(CO2)31，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)31，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。交流讨论以下问题：1从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？提示应选择合适的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还有哪些手段可提高甲醇的产率？提示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。2证据推理与模型认知水平能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。3科学态度与社会责任水平能树立绿色化学理念，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。
