高中化學(xué)：探索碳中和之路

二氧化碳甲醇化

…探索“碳中和”之路

一、核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)

核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo)

宏觀辨識(shí)與微觀探析學(xué)會(huì)從宏觀現(xiàn)象、數(shù)據(jù)分析到微觀反應(yīng)機(jī)理的研究。

證據(jù)推理與模型認(rèn)知依據(jù)理論分析以及工業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)推斷CO2甲醇化的工業(yè)生

產(chǎn)條件，構(gòu)建思維認(rèn)知模型。

變化觀念與平衡思想利用熱力學(xué)中勒夏特列原理分析二氧化碳甲醇化平衡移動(dòng)

方向，探析濃度、壓強(qiáng)、溫度對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)方向和轉(zhuǎn)化

率的影響，培育學(xué)生探索、求證精神。

科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任了解CO2甲醇化對(duì)于碳中和的意義，從化學(xué)學(xué)科本質(zhì)角度認(rèn)識(shí)

化學(xué)對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的價(jià)值。

二、教學(xué)分析

1.內(nèi)容分析

本節(jié)課內(nèi)容是對(duì)《化學(xué)反應(yīng)原理》中反應(yīng)方向、限度、速率、機(jī)理等化學(xué)學(xué)科核心知識(shí)的復(fù)

習(xí)?以二氧化碳甲醇化這一工業(yè)反應(yīng)為例，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，引導(dǎo)學(xué)生理解工業(yè)反

應(yīng)條件的選擇，在探究的過程中，注重知識(shí)的基礎(chǔ)性、綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性。通過二氧化碳

甲靜化這一項(xiàng)目式復(fù)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)，和學(xué)生共同把化學(xué)核心價(jià)值、學(xué)科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力、必備知

識(shí)融合于知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維認(rèn)知模型中，提升學(xué)生的問題解決能力。

2.學(xué)情分析

我們已經(jīng)完成了選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊的知識(shí)學(xué)習(xí)，學(xué)生初步掌握了基本原理,

但遷移應(yīng)用能力欠缺，在解決綜合性問題時(shí)不能完整分析。

3.教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

C02甲醇化工業(yè)生產(chǎn)條件的探究

三、教學(xué)過程設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)一：思考交流--如何實(shí)現(xiàn)碳中和？

（設(shè)計(jì)意圖：今年夏天的持續(xù)高溫天氣使得環(huán)境問題得到了廣大的關(guān)注和討論，

習(xí)近平總書記在多個(gè)重要場(chǎng)合表明我們的立場(chǎng)：二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到

峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。從二氧化碳的排放和吸收來討論如何達(dá)到碳中

和？以真實(shí)情境引入課堂主題。）

環(huán)節(jié)二：認(rèn)識(shí)二氧化碳與氫氣的反應(yīng)

問題1：若用二氧化碳制甲醇，還需要尋找什么物質(zhì)作為反應(yīng)物？

問題2：若用常見的H2或H20作為氫源，請(qǐng)根據(jù)下表計(jì)算兩個(gè)反應(yīng)的

CO2(g)+3H2(g)-CH30H(g)+H20(g)

2c02(g)+4H20(g)2cH30H(g)+3O2(g)

化學(xué)鍵C=0H-HC-HC-00-H0=0

鍵能(KJ/mol)803436414326464498

問題3：請(qǐng)分析哪個(gè)反應(yīng)更適宜于工業(yè)生產(chǎn)，并說明理由？

問題4：你作為該項(xiàng)目的工程師，會(huì)從哪些角度思考來制定生產(chǎn)條件？

問題5：研究人員想了解該反應(yīng)限度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：在200C條件下往1L密閉容器

中通入ImolCCh和3moiH2,充分反應(yīng)后，測(cè)出氣體壓強(qiáng)變?yōu)樵瓉淼?5%且不再變

化，請(qǐng)計(jì)算該反應(yīng)的平衡常數(shù)？(2.73:20)此時(shí)的產(chǎn)率是多少？(產(chǎn)率是實(shí)際產(chǎn)量

比上理論產(chǎn)量)

通過計(jì)算平衡常數(shù)和產(chǎn)率，你對(duì)該反應(yīng)的工業(yè)生產(chǎn)有什么想法？

(設(shè)計(jì)意圖：通過遞進(jìn)式問題鏈，一步一步引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識(shí)二氧化碳與氫氣的反應(yīng)，

復(fù)習(xí)核心知識(shí)點(diǎn)：反應(yīng)熱的計(jì)算、自發(fā)反應(yīng)、產(chǎn)率以及平衡常數(shù)的計(jì)算)

環(huán)節(jié)3：探究二氧化碳與氫氣的反應(yīng)

問題1：為什么二氧化碳的轉(zhuǎn)化率與甲醇產(chǎn)率兩條線不重合？

n（H2）:n（CO2）2357

二代化碳轉(zhuǎn)化率％II.6313.6815.9318.71

甲醇產(chǎn)率%3.044.355.968.II

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二氧化碳的轉(zhuǎn)化率

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n（H2/CO2）

問題2：利用勒夏特列原理分析壓強(qiáng)、溫度對(duì)甲醇產(chǎn)率的影響？

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問題3：分析H2與C02物質(zhì)的量之比對(duì)平衡時(shí)甲醇物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的影響？

CO?平衡甲醇的甲醇物質(zhì)的量

n(H)：n(CO)

22轉(zhuǎn)化率選擇性分?jǐn)?shù)

20.20470.65660.0492

2.40.22120.68580.0514

2.80.25550.70720.0526

3.20.27780.72350.0529

3.60.29840.73630.0528

40.31750.74670.0524

問題4：在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)的決速步驟為?試寫出總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式

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其中TS表示過渡態(tài)，*表示吸附在催化劑表面上的物質(zhì)，括號(hào)里的數(shù)字，表示微粒的

相對(duì)總能量（單位：eV,leV=1.60xl0l9J）

（設(shè)計(jì)意圖：通過圖表數(shù)據(jù)分析COz甲醇化存在的副反應(yīng)，利用勒夏特列原理分析溫

度、濃度、壓強(qiáng)對(duì)于平衡的影響，利用活化能大小分析反應(yīng)的決速步驟，培養(yǎng)學(xué)生分

析解決問