2023-2024學(xué)年魯教版選擇性必修一 第二章 探究化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)與反應(yīng)條件的優(yōu)化-以“二氧化碳合成甲醇”為例 單元主題復(fù)習(xí)課件 (共22張PPT)

探究化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)與反應(yīng)條件的優(yōu)化——以“二氧化碳合成甲醇”為例單元主題復(fù)習(xí)《化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率》

復(fù)習(xí)與評(píng)價(jià)目標(biāo)123

通過(guò)對(duì)CH3OH合成反應(yīng)的設(shè)計(jì)，建立從價(jià)類二維、綜合判據(jù)和耦合思想設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)的思維模型，評(píng)價(jià)發(fā)散思維和證據(jù)推理的能力。

通過(guò)對(duì)CO2催化加氫制甲醇的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，建立從方向、限度和快慢角度調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的思維模型，評(píng)價(jià)從孤立分析到系統(tǒng)分析的能力。

通過(guò)對(duì)化工實(shí)際生產(chǎn)的研究，樹立綠色化學(xué)觀念，學(xué)會(huì)“多、快、好、省”的綜合思維方式，學(xué)會(huì)分析圖像、處理數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)運(yùn)用數(shù)學(xué)工具和化學(xué)思想綜合解決真實(shí)問(wèn)題的能力。

材料一：習(xí)近平總書記在黨的二十大報(bào)告中明確了到2035年我國(guó)發(fā)展的總體目標(biāo)，其中之一是“碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降，生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)，美麗中國(guó)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)”。

項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用

材料二：甲醇是一種重要的有機(jī)化工原料和清潔燃料，傳統(tǒng)上通過(guò)石油裂解和煤制備，而利用CO2直接轉(zhuǎn)化為甲醇，既可以減排CO2，又可以實(shí)現(xiàn)人類不依賴于化石能源的限制。利用CO2合成CH3OH確立項(xiàng)目項(xiàng)目拆解項(xiàng)目一：設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)目二：選擇反應(yīng)條件項(xiàng)目三：優(yōu)化反應(yīng)條件項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用思維模型遷移應(yīng)用項(xiàng)目一：設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)【思維角度1】?jī)r(jià)類二維（定性）.CO2(g)+2H2O(g)

=CH3OH(g)+3/2O2(g)CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)

請(qǐng)從碳元素價(jià)態(tài)變化的角度思考，為何選用H2而不用H2O？證據(jù)推理與模型認(rèn)知項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用H2是常見(jiàn)的還原劑，而H2O難以被氧化。科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)CO2CH3OHH2、

H2O【思維角度2】熱力學(xué)計(jì)算（定量）

溫度為300K，分壓均為100kPa條件下，兩個(gè)反應(yīng)的焓變和熵變?nèi)缦拢ㄟ^(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，你認(rèn)為哪個(gè)更適宜于甲醇工業(yè)生產(chǎn)？T=300KΔH1=-50kJ·mol-1ΔS1=-0.17kJ·mol-1·K-1T=300KΔH2=+678kJ·mol-1ΔS2=-0.04kJ·mol-1·K-1.CO2(g)+2H2O(g)

=CH3OH(g)+3/2O2(g)CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)

√反應(yīng)可行×反應(yīng)不可行項(xiàng)目一：設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用證據(jù)推理與模型認(rèn)知反應(yīng)的方向：ΔG=ΔH－TΔS<0ΔG=1kJ·mol-1ΔG=690kJ·mol-1項(xiàng)目一：設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用第1步反應(yīng)

新聞二：2022年9月27日，世界最大、國(guó)內(nèi)首套CO2加氫制甲醇聯(lián)產(chǎn)裝置在河南安陽(yáng)建成并實(shí)現(xiàn)全面投產(chǎn)，捕集石灰窯煙道氣中CO2與氫氣合成綠色燃料甲醇，年捕集16萬(wàn)噸CO2，對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)具有重要意義。學(xué)科思想1：定性定量結(jié)合

實(shí)現(xiàn)CO2合成甲醇的工業(yè)化生產(chǎn)，以小組為單位討論需要哪些理論支撐，需要考慮哪些工業(yè)實(shí)際問(wèn)題？

熱力學(xué)→平衡(平衡常數(shù)K、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率)

動(dòng)力學(xué)→速率(速率常數(shù)K、反應(yīng)歷程)項(xiàng)目二：選擇反應(yīng)條件節(jié)約成本、能耗、物料循環(huán)等綠色環(huán)保、安全、技術(shù)工藝等多快好省項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任理論知識(shí)工業(yè)實(shí)際催化劑溫度濃度壓強(qiáng)綜合優(yōu)化條件……項(xiàng)目二：選擇反應(yīng)條件

角度影響因素選擇條件平衡

【理論分析】分別從速率、平衡角度考慮，合成甲醇需要選擇什么條件?速率

濃度、氣體壓強(qiáng)、溫度增加原料濃度/高壓、低溫濃度、氣體壓強(qiáng)、溫度、催化劑增加原料濃度/高壓、高溫、使用催化劑、

項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用項(xiàng)目三：優(yōu)化反應(yīng)條件【學(xué)習(xí)任務(wù)1】從濃度因素考慮

改變投料比或使用分子篩膜移除水，均可增大CO2的轉(zhuǎn)化率（如右圖所示）。（1）增大n(H2)/n(CO2)對(duì)H2轉(zhuǎn)化率有何影響？（2）請(qǐng)從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度，分析使用分子篩膜能夠提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率的原理。項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用變化觀念與平衡思想

、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)有膜無(wú)膜定性分析（勒夏特列原理）定量分析（比較濃度商Q與平衡常數(shù)K）學(xué)科思想1：定性定量結(jié)合項(xiàng)目三：優(yōu)化反應(yīng)條件【學(xué)習(xí)任務(wù)2】從氣體壓強(qiáng)因素考慮

向固定容器中通入體積比為1:3的CO2和H2，在溫度523K下均反應(yīng)進(jìn)行1小時(shí)后，理論值與測(cè)得CO2實(shí)際轉(zhuǎn)化率、CH3OH實(shí)際產(chǎn)率隨壓強(qiáng)變化如右圖所示，請(qǐng)分析：（1）實(shí)際值和理論值不匹配的原因？（2）根據(jù)反應(yīng)方程式，CO2轉(zhuǎn)化率與CH3OH產(chǎn)率相等，但CO2實(shí)際轉(zhuǎn)化率卻高于CH3OH實(shí)際產(chǎn)率，可能原因？項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用項(xiàng)目三：優(yōu)化反應(yīng)條件【學(xué)習(xí)任務(wù)3】從溫度因素考慮（結(jié)合主副反應(yīng)）（2020年山東高考）以CO2、H2為原料合成CH3OH涉及的主要反應(yīng)如下：

不同壓強(qiáng)下，按照n(CO2)：n(H2)=1:3投料，實(shí)驗(yàn)測(cè)定CH3OH的平衡產(chǎn)率隨溫度的變化關(guān)系如圖所示。（1）壓強(qiáng)P1、P2、P3由大到小的順序?yàn)開________；（2）T1溫度時(shí)，三條曲線幾乎交于一點(diǎn)的原因是________。溫度升高，Ⅰ、Ⅱ反應(yīng)逆向移動(dòng)，Ⅲ反應(yīng)正向移動(dòng)。T1時(shí)以反應(yīng)III為主，反應(yīng)III前后分子數(shù)相等，壓強(qiáng)改變對(duì)平衡沒(méi)有影響P1>P2>P3項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用學(xué)科思想2：調(diào)控主副反應(yīng)分析多元平衡體系答題模板定性分析平衡移動(dòng)，定量研究反應(yīng)特征。明確產(chǎn)物分布變化，綜合把握主導(dǎo)反應(yīng)。副反應(yīng)副反應(yīng)項(xiàng)目三：優(yōu)化反應(yīng)條件

溫度大于T1時(shí)，壓強(qiáng)失靈、主反應(yīng)失控，對(duì)于主反應(yīng)來(lái)說(shuō)，熱力學(xué)平衡幾乎失去作用。

當(dāng)熱力學(xué)不占優(yōu)勢(shì)時(shí)，可控制動(dòng)力學(xué)（速率）占優(yōu)勢(shì)。努力方向—開發(fā)在較低溫度下具有優(yōu)良活性和選擇性的催化劑。

截止目前，共有20位科學(xué)家研究催化獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用【學(xué)習(xí)任務(wù)4】從催化劑因素考慮

項(xiàng)目三：優(yōu)化反應(yīng)條件

傳統(tǒng)Cu基催化劑的缺陷是甲醇選擇性低（50%），反應(yīng)生成的水也會(huì)加速催化劑失活。李燦院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)的ZnO-ZrO2雙金屬固溶體氧化物催化劑在CO2單程轉(zhuǎn)化率超過(guò)10%時(shí)，甲醇選擇性仍保持在90%左右，是目前同類研究中最好的結(jié)果。

（1）A圖代表隨ZnO在總物質(zhì)的量占比而變化的情況，催化效果最好的比例是多少？

（2）B圖代表固定催化劑，在不同溫度、不同氣體比例下的變化情況。請(qǐng)從催化劑的角度分析，330℃以后甲醇的選擇性急劇下降的可能原因？項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用2項(xiàng)目三：優(yōu)化反應(yīng)條件投料比溫度壓強(qiáng)催化劑n(H2)∶n(CO2)稍高于3:1中低壓5-10MPa520K左右ZnO+ZrO2綜合優(yōu)化方案項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用項(xiàng)目成果：化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)與反應(yīng)條件優(yōu)化的思維模型項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用類價(jià)二維熱力學(xué)計(jì)算熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)平衡移動(dòng)（定性、定量）化學(xué)反應(yīng)速率（定性、定量）溫度催化劑條件選擇條件優(yōu)化定性定量平衡常數(shù)K、Kp

轉(zhuǎn)化率α

活化能Ea速率常數(shù)k多快好省反應(yīng)設(shè)計(jì)定性定量結(jié)合調(diào)控主副反應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)綠色工藝、安全、技術(shù)等工業(yè)設(shè)備成本、能耗、物料循環(huán)等價(jià)類二維熱力學(xué)計(jì)算熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)化學(xué)平衡移動(dòng)（定性、定量）化學(xué)反應(yīng)速率（定性、定量）催化劑條件選擇條件優(yōu)化定性定量平衡常數(shù)K、Kp

轉(zhuǎn)化率α

活化能Ea速率常數(shù)k多快好省反應(yīng)設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)綠色工藝、安全、技術(shù)等工業(yè)設(shè)備成本、能耗、物料循環(huán)等學(xué)科思想ΔH－TΔS濃度（氣體壓強(qiáng)）項(xiàng)目四：模型應(yīng)用（2021年浙江高考）根據(jù)已知化學(xué)方程式，計(jì)算并說(shuō)明：參考答案：K=3×1019遠(yuǎn)大于KI，使TiO2氯化為TiCl4得以實(shí)現(xiàn)；ΔH=-40kJ·mol-1，反應(yīng)II可為反應(yīng)I提供所需的能量。【應(yīng)用1】化學(xué)反應(yīng)的耦合思想項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用成果應(yīng)用：應(yīng)用模型解決真實(shí)問(wèn)題學(xué)科思想3：運(yùn)用反應(yīng)耦合工業(yè)上常采用“加碳氯化”的方法以高鈦渣(主要成分為TiO2)為原料生產(chǎn)TiCl4：TiO2(s)+2Cl2(g)+2C(s)=TiCl4(g)+2CO(g)，ΔH=

kJ·mol-1，K=

。結(jié)合數(shù)據(jù)說(shuō)明氯化過(guò)程中加碳的理由

。項(xiàng)目四：模型應(yīng)用【應(yīng)用2】改變Qc或QP促進(jìn)正反應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)苯乙烯的反應(yīng)為：為得到苯乙烯，需在恒壓的條件摻入一定量的水蒸氣進(jìn)行。（1）加入水蒸氣目的是什么？（2）假若CO與各物質(zhì)均不反應(yīng)，能否用CO替換水蒸氣？項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用成果應(yīng)用：應(yīng)用模型解決真實(shí)問(wèn)題參考答案：（1）加入水蒸氣，減小反應(yīng)體系各物質(zhì)的分壓，Qp小于Kp，使平衡右移；

或加入水蒸氣，減小反應(yīng)體系各物質(zhì)的濃度，Qc小于K，使平衡右移；

（2）不能，CO有毒污染環(huán)境，而且CO成本較高。

改變濃度，使Qc

<K，平衡右移

改變分壓，使QP<KP，平衡右移成果應(yīng)用：應(yīng)用模型解決真實(shí)問(wèn)題【應(yīng)用3】動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的綜合因素分析升高溫度，k增大使v逐漸提高，但α降低使v逐漸下降。當(dāng)t＜tm，k增大對(duì)v的提高大于α引起的降低；

當(dāng)t＞tm，k增大對(duì)v的提高小于α引起的降低。項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用學(xué)科思想4：把握主次矛盾【應(yīng)用3】動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)的綜合因素分析

運(yùn)用數(shù)學(xué)工具，綜合化學(xué)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)原理，彰顯學(xué)科思維之美、創(chuàng)造之美。項(xiàng)目背景項(xiàng)目規(guī)劃項(xiàng)目研討項(xiàng)目評(píng)估項(xiàng)目成果成果應(yīng)用成果應(yīng)用：應(yīng)用模型解決真實(shí)問(wèn)題速率方程①速率常數(shù)k—?jiǎng)恿W(xué)控制②SO2平衡轉(zhuǎn)化率α—熱力學(xué)控制

k、α隨溫度t變化n是常數(shù)、，=0.90，二者均屬于常量單一因素分析變化①t升高

k增大

，v增大②t升高

α減小

，v減小因變量自變量速率v結(jié)合曲線變化分析矛盾主要方面t<tm時(shí)：v增大，說(shuō)明k主導(dǎo)，

動(dòng)力學(xué)控速；t>tm時(shí)：v減小，說(shuō)明α主導(dǎo)，

熱力學(xué)控速。把握主次矛盾項(xiàng)目成果：化學(xué)反