《微項(xiàng)目 探討如何利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成甲醇-化學(xué)反應(yīng)的選擇與反應(yīng)條件的優(yōu)》名校課件

微項(xiàng)目：探討如何利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成甲醇—化學(xué)反應(yīng)的選擇與反應(yīng)條件的優(yōu)化學(xué)習(xí)目標(biāo)1、通過利用工業(yè)廢氣中的二氧化碳合成甲醇反應(yīng)的選擇以及對(duì)反應(yīng)條件的優(yōu)化，體會(huì)反應(yīng)的焓變、熵變、化學(xué)平衡和速率相關(guān)知識(shí)的應(yīng)用價(jià)值，形成從物質(zhì)轉(zhuǎn)化以及反應(yīng)的方向、限度、快慢等多個(gè)角度綜合分析、解決工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問題的基本思路。2、通過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，樹立綠色化學(xué)理念，認(rèn)識(shí)到利用化學(xué)反應(yīng)將無用物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)是解決環(huán)境問題的重要途徑之一。1．目前有機(jī)原料按消費(fèi)量排序，前4位從大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。2．合成甲醇的原料我國用煤和重渣油(大多數(shù)國家用CH4)。3．選擇CO2作碳源合成甲醇的原因(1)工業(yè)廢氣中含大量CO2，排放到空氣中會(huì)帶來環(huán)境問題；(2)天然氣、煤、石油屬于不可再生資源，日漸減少；(3)用CO2合成甲醇符合綠色化學(xué)要求。知識(shí)背景：

假設(shè)反應(yīng)焓變和熵變不隨溫度的改變而變化，已知298K，100kPa時(shí)，有如下反應(yīng)：①CO2(g)＋3H2(g)=CH3OH(g)＋H2O(g)

ΔH＝－48.97kJ·mol－1

ΔS＝－177.16J·mol－1·K－1②CO2(g)＋2H2O(g)=CH3OH(g)＋3/2O2(g)

ΔH＝＋676.48kJ·mol－1

ΔS＝－43.87J·mol－1·K－1③CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g)

ΔH＝＋41.17kJ·mol－1

ΔS＝＋42.08J·mol－1·K－1項(xiàng)目活動(dòng)1選擇合適的化學(xué)反應(yīng)[思考]1．請(qǐng)根據(jù)焓變和熵變復(fù)合判據(jù)判斷上述三個(gè)反應(yīng)是否正向自發(fā)進(jìn)行？2．用CO2合成甲醇時(shí)發(fā)生的反應(yīng)有哪些？2．用CO2合成甲醇時(shí)發(fā)生的反應(yīng)有哪些？有反應(yīng)①、③，其中反應(yīng)③是較高溫度時(shí)的副反應(yīng)。

反應(yīng)①，ΔH－TΔS＝－48.97kJ·mol－1－298K×(－0.17716)kJ·mol－1·K－1≈3.82kJ·mol－1＞0，該反應(yīng)屬于放熱熵減反應(yīng)，降低溫度時(shí)正向反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。反應(yīng)②屬于吸熱熵減反應(yīng)，在任何溫度下正向反應(yīng)均不自發(fā)進(jìn)行。

反應(yīng)③,ΔH－TΔS＝＋41.17kJ·mol－1－298K×0.04208kJ·mol－1·K－1≈＋28.63kJ·mol－1＞0，該反應(yīng)屬于吸熱熵增反應(yīng)，在高溫下正向反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。[思考]1.請(qǐng)根據(jù)焓變和熵變復(fù)合判據(jù)判斷上述三個(gè)反應(yīng)是否正向自發(fā)進(jìn)行？1．理論分析項(xiàng)目活動(dòng)2選擇適宜的反應(yīng)條件需在低溫、高壓條件下進(jìn)行。角度2：反應(yīng)速率角度1：反應(yīng)限度(轉(zhuǎn)化率)反應(yīng)①在低溫時(shí)自發(fā)進(jìn)行，Δvg＜0，加壓有利于合成甲醇。據(jù)此可知，合成甲醇應(yīng)選擇什么條件？為提高單位時(shí)間內(nèi)甲醇的產(chǎn)量需加快反應(yīng)速率。升溫、使用催化劑均可加快反應(yīng)速率。

工業(yè)生產(chǎn)的主要目的之一是獲得利潤，因此選擇合成甲醇的適宜條件時(shí)，既不能片面追求高轉(zhuǎn)化率，也不能片面追求高反應(yīng)速率、應(yīng)選擇以較高反應(yīng)速率獲得適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件。理論分析條件的選擇矛盾之處——發(fā)現(xiàn)問題：升溫，不利于反應(yīng)①的平衡正向移動(dòng)，同時(shí)副反應(yīng)③正向移動(dòng)，副產(chǎn)物增多；使用催化劑加快反應(yīng)速率，但不影響反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，同時(shí)催化劑活性受溫度影響。閱讀課本第84-85頁探討實(shí)際合成甲醇條件的選擇交流研討：(1)不同n(H2)∶n(CO2)對(duì)反應(yīng)的影響(2)改變壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)的影響(3)溫度對(duì)反應(yīng)的影響分析表中數(shù)據(jù)看出，n(H2)∶n(CO2)數(shù)值增大，CO2轉(zhuǎn)化率變化不明顯，為避免造成大量氫氣浪費(fèi)，合成甲醇時(shí)并不是n(H2)∶n(CO2)的比值越大越好。從圖中數(shù)據(jù)變化可看出，壓強(qiáng)越高，甲醇的產(chǎn)率越高，但從設(shè)備成本看，壓強(qiáng)越高生產(chǎn)成本越高。從圖中信息看出溫度過高后甲醇產(chǎn)率下降。1．從以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的適宜條件應(yīng)如何選擇？思考：應(yīng)選擇合適的n(H2)∶n(CO2)、較高的總壓強(qiáng)、適宜的溫度和催化劑有利于合成甲醇。2．從工業(yè)生產(chǎn)流程考慮還有哪些手段可提高甲醇的產(chǎn)率？配置二氧化碳富集裝置、甲醇—水分離裝置以及副產(chǎn)物一氧化碳回收裝置等?？偨Y(jié)歸納：

利用CO2和H2合成甲醇在實(shí)際化工生產(chǎn)中適宜條件的選擇主反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)===CH3OH(g)+H2O(g)ΔH1=-48.97kJ·mol-1副反應(yīng)CO2(g)+H2(g)===CO(g)+H2O(g)ΔH2=+41.17kJ·mol-1。一般考慮以下因素:(1)反應(yīng)物物質(zhì)的量之比[n(H2)∶n(CO2)]:增大比值,甲醇的產(chǎn)率增大。(2)改變溫度或壓強(qiáng)：①同壓下,升高溫度平衡轉(zhuǎn)化率減小;②同溫下,增大壓強(qiáng)平衡轉(zhuǎn)化率增大。(3)改變催化劑的組成：催化劑的組成改變影響甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率和選擇性。綜合理論和事實(shí)表明：較高的物質(zhì)的量之比[n(H2)∶n(CO2)]、較高的總壓強(qiáng)、適宜的溫度和催化劑有利于甲醇的合成。項(xiàng)目成果展示(1)利用化學(xué)反應(yīng)解決實(shí)際問題的一般思路。(2)目標(biāo)化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)過程及理論依據(jù)。

1．一定條件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g)CH2=CH2(g)＋4H2O(g)。已知溫度對(duì)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和催化劑催化效率的影響如圖。下列說法正確的是(

)練習(xí)：A．M點(diǎn)的正反應(yīng)速率v(正)大于N點(diǎn)的逆反應(yīng)速率v(逆)

B．若投料比n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，則圖中M點(diǎn)對(duì)應(yīng)乙烯的體積分?jǐn)?shù)為5.88%C．250℃，催化劑對(duì)CO2平衡轉(zhuǎn)化率的影響最大D．當(dāng)溫度高于250℃，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)導(dǎo)致催化劑的催化效率降低B2．利用CO和H2可以合成甲醇，反應(yīng)原理為CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)。一定條件下，在容積為VL的密閉容器中充入amolCO與2amolH2合成甲醇，CO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。(2)該甲醇合成反應(yīng)在A點(diǎn)的平衡常數(shù)K＝________________(用a和V表示)。(3)該反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率：α(CO)___α(H2)(填“＞”“＜”或“＝”)。(1)p1_____p2(填“＞”“＜”或“＝”)，理由是_______________________________________________________________________________。＜甲醇的合成反應(yīng)是氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，相同溫度下，增大壓