2024_2025年新教材高中化学第2章化学反应速率与化学平衡章末总结探究课学案新人教版选择性必修1.doc

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第2章化学反应速率与化学平衡

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。随着能源结构的变更，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自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。这些原料都日渐削减，人们正在主动找寻新的碳源来合成甲醇。

1．素养要求——科学探究与创新意识：能发觉和提出有探究价值的问题；能从问题和假设动身，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，培育自主探究的实力与创新意识。

【探究过程】

素养评价

【探究任务一：方案设计】

(1)推断所设计化学反应能否自发进行

利用二氧化碳合成甲醇，还须要找寻氢源。假如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。

①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)

②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋eq\f(3,2)O2(g)

反应

ΔH/(kJ·mol－1)

ΔS/(J·mol－1·K－1)

①

－48.97

－177.16

②

＋676.48

－43.87

注：反应条件为温度298K，各气体分压100kPa。

请运用焓变、熵变的相关学问，推断以上两个反应能否正向自发进行。

[提示]反应①，ΔH－TΔS＝－48.97kJ·mol－1－298K×(－0.17716kJ·mol－1·K－1)≈3.82kJ·mol－1＞0，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②，ΔH－TΔS≈＋676.48kJ·mol－1－298K×(－0.04387kJ·mol－1·K－1)＝＋689.55kJ·mol－1＞0，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：选择相宜的生产条件】

探讨发觉，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：

③CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)

该反应的焓变为＋41.17kJ·mol－1、熵变为＋42.08J·mol－1·K－1，为吸热的熵增加反应。由“ΔH－TΔS推断”可知，高温下该反应能正向自发进行。

对于选定的反应，在初步推断其可以在肯定温度和压强下正向自发进行后，我们还须要结合理论分析和试验数据，选择相宜的反应条件，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，削减副反应的发生，在选择相宜的反应条件时，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？你预料的理论依据是什么？

[提示]在选择反应条件时须要考虑温度、浓度、压强、催化剂等影响因素。

分析总压的影响可知，对于Δνg＜0的反应①，增大总压，有利于该反应的平衡正向移动。但对于Δνg＝0的副反应③，总压的变更不会使其平衡移动。因此，增大总压，甲醇的产率会提高。从温度角度看，升温不利于放热的主反应①正向进行，不利于该平衡的正向移动，但利于吸热的副反应③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①选择相宜的反应条件。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、甲醇与水的分别装置，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、熵变推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，能与同学探讨设计的思路和提出试验后的想法，独立完成探究任务，沟通探究成果。

证据推理——水平3：能依据反应特征找寻足够的证据，能说明证据和结论之间的关系。

证据推理——水平4：能对困难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。