2023-2024学年鲁教版高中化学选择性必修一 第二章 《化学反应的方向、限度和速率）单元主题复习 (共22张PPT) 探究化学反应的设计与反应条件的优化——以“二氧化碳合成甲醇”为例 课件

(共22张PPT)
探究化学反应的设计与反应条件的优化
——以“二氧化碳合成甲醇”为例
单元主题复习《化学反应的方向、限度和速率》
复习与评价目标
1
2
3
通过对CH3OH合成反应的设计，建立从价类二维、综合判据和耦合思想设计化学反应的思维模型，评价发散思维和证据推理的能力。
通过对CO2催化加氢制甲醇的热力学、动力学分析，建立从方向、限度和快慢角度调控化学反应的思维模型，评价从孤立分析到系统分析的能力。
通过对化工实际生产的研究，树立绿色化学观念，学会“多、快、好、省”的综合思维方式，学会分析图像、处理数据，评价运用数学工具和化学思想综合解决真实问题的能力。
材料一：习近平总书记在党的二十大报告中明确了到2035年我国发展的总体目标，其中之一是“碳排放达峰后稳中有降，生态环境根本好转，美丽中国目标基本实现”。
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
材料二：甲醇是一种重要的有机化工原料和清洁燃料，传统上通过石油裂解和煤制备，而利用CO2直接转化为甲醇，既可以减排CO2，又可以实现人类不依赖于化石能源的限制。
利用CO2合成CH3OH
确立项目
项目拆解
项目一：设计化学反应
项目二：选择反应条件
项目三：优化反应条件
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
思维模型
迁移应用
项目一：设计化学反应
【思维角度1】价类二维（定性）
.
CO2(g)+2H2O(g) =CH3OH(g)+3/2O2(g)
CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)
请从碳元素价态变化的角度思考，为何选用H2而不用H2O？
证据推理与模型认知
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
H2是常见的还原剂，而H2O难以被氧化。
科学探究与创新意识
CO2
CH3OH
H2、
H2O
【思维角度2】热力学计算（定量）
温度为300 K，分压均为100kPa条件下，两个反应的焓变和熵变如下，通过简单计算，你认为哪个更适宜于甲醇工业生产？
T = 300K
ΔH1= -50 kJ·mol-1
ΔS1 = -0.17 kJ·mol-1·K-1
T = 300K
ΔH2= +678 kJ·mol-1
ΔS2 = -0.04 kJ·mol-1·K-1
.
CO2(g)+2H2O(g) =CH3OH(g)+3/2O2(g)
CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)
√反应可 行
×反应不可行
项目一：设计化学反应
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
证据推理与模型认知
反应的方向：ΔG=ΔH－TΔS<0
ΔG=1kJ·mol-1
ΔG=690kJ·mol-1
项目一：设计化学反应
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
第1步反应
新闻二：2022年9月27日，世界最大、国内首套CO2加氢制甲醇联产装置在河南安阳建成并实现全面投产，捕集石灰窑烟道气中CO2与氢气合成绿色燃料甲醇，年捕集16万吨CO2，对实现碳中和目标具有重要意义。
学科思想1：定性定量结合
实现CO2合成甲醇的工业化生产，以小组为单位讨论需要哪些理论支撑，需要考虑哪些工业实际问题？
热力学→平衡
(平衡常数K、转化率、产率)
动力学→速率
(速率常数K、反应历程)
项目二：选择反应条件
节约成本、能耗、物料循环等
绿色环保、安全、技术工艺等
多
快
好
省
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
科学态度与社会责任
理论知识
工业实际
催化剂
温度
浓度
压强
综合优化条件
……
项目二：选择反应条件
角度 影响因素 选择条件
平衡
【理论分析】分别从速率、平衡角度考虑，合成甲醇需要选择什么条件
速率
浓度、气体压强、温度
增加原料浓度/高压、低温
浓度、气体压强、温度、催化剂
增加原料浓度/高压、高温、使用催化剂、
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
项目三：优化反应条件
【学习任务1】从浓度因素考虑
改变投料比或使用分子筛膜移除水，均可增大CO2的转化率（如右图所示）。
（1）增大n(H2)/n(CO2)对H2转化率有何影响？
（2）请从定性和定量两个角度，分析使用分子筛膜能够提高二氧化碳转化率的原理。
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
变化观念与平衡思想 、科学探究与创新意识
有膜
无膜
定性分析（勒夏特列原理）
定量分析（比较浓度商Q与平衡常数K）
学科思想1：定性定量结合
项目三：优化反应条件
【学习任务2】从气体压强因素考虑
向固定容器中通入体积比为1:3的CO2和H2，在温度523K下均反应进行1小时后，理论值与测得CO2实际转化率、CH3OH实际产率随压强变化如右图所示，请分析：
（1）实际值和理论值不匹配的原因？
（2）根据反应方程式，CO2转化率与CH3OH产率相等，但CO2实际转化率却高于CH3OH实际产率，可能原因？
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
项目三：优化反应条件
【学习任务3】从温度因素考虑（结合主副反应）
（2020年山东高考）以CO2、H2为原料合成CH3OH涉及的主要反应如下：
不同压强下，按照n(CO2)：n(H2)=1:3投料，实验测定CH3OH的平衡产率随温度的变化关系如图所示。
（1）压强P1、P2、P3由大到小的顺序为_________；
（2）T1温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是________。
温度升高，Ⅰ、Ⅱ反应逆向移动，Ⅲ反应正向移动。
T1时以反应III为主，反应III前后分子数相等，压强改变对平衡没有影响
P1>P2>P3
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
学科思想2：调控主副反应
分析多元平衡体系答题模板
定性分析平衡移动，定量研究反应特征。
明确产物分布变化，综合把握主导反应。
副反应
副反应
项目三：优化反应条件
温度大于T1时，压强失灵、主反应失控，对于主反应来说，热力学平衡几乎失去作用。
当热力学不占优势时，可控制动力学（速率）占优势。
努力方向—开发在较低温度下具有优良活性和选择性的催化剂。
截止目前，共有20位科学家研究催化获诺贝尔化学奖。
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
【学习任务4】从催化剂因素考虑
项目三：优化反应条件
传统Cu基催化剂的缺陷是甲醇选择性低（50%），反应生成的水也会加速催化剂失活。李灿院士团队开发的ZnO-ZrO2双金属固溶体氧化物催化剂在CO2单程转化率超过10%时，甲醇选择性仍保持在90%左右，是目前同类研究中最好的结果。
（1）A图代表随ZnO在总物质的量占比而变化的情况，催化效果最好的比例是多少？
（2）B图代表固定催化剂，在不同温度、不同气体比例下的变化情况。请从催化剂的角度分析，330℃以后甲醇的选择性急剧下降的可能原因？
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
2
项目三：优化反应条件
投料比
温度
压强
催化剂
n(H2)∶n(CO2)
稍高于3:1
中低压
5-10MPa
520K左右
ZnO+ZrO2
综合优化方案
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
项目成果：化学反应的设计与反应条件优化的思维模型
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
类价
二维
热力学
计算
热力学
动力学
化学平衡移动
（定性、定量）
化学反应速率
（定性、定量）
温度
催化剂
条件选择
条件优化
定性
定量
平衡常数
K、Kp
转化率α
活化能Ea
速率常数k
多
快
好
省
反应设计
定性定量结合
调控主副反应
工业生产绿色工艺、安全、技术等
工业设备成本、能耗、物料循环等
价类
二维
热力学
计算
热力学
动力学
化学平衡移动
（定性、定量）
化学反应速率
（定性、定量）
催化剂
条件选择
条件优化
定性
定量
平衡常数
K、Kp
转化率α
活化能Ea
速率常数k
多
快
好
省
反应设计
工业生产绿色工艺、安全、技术等
工业设备成本、能耗、物料循环等
学科思想
ΔH－TΔS
浓度
（气体压强）
项目四：模型应用
（2021年浙江高考）根据已知化学方程式，计算并说明：
参考答案：K=3×1019远大于KI，使TiO2氯化为TiCl4得以实现；ΔH= -40kJ·mol-1，反应II 可为反应I提供所需的能量。
【应用1】化学反应的耦合思想
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
成果应用：应用模型解决真实问题
学科思想3：运用反应耦合
工业上常采用“加碳氯化”的方法以高钛渣(主要成分为TiO2)为原料生产TiCl4：TiO2(s)+2Cl2(g) + 2C(s) =TiCl4(g)+ 2CO(g)， ΔH= kJ·mol-1，K= 。结合数据说明氯化过程中加碳的理由 。
项目四：模型应用
【应用2】改变Qc或QP促进正反应
工业生产苯乙烯的反应为：
为得到苯乙烯，需在恒压的条件掺入一定量的水蒸气进行。
（1）加入水蒸气目的是什么？
（2）假若CO与各物质均不反应，能否用CO替换水蒸气？
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
成果应用：应用模型解决真实问题
参考答案：（1）加入水蒸气，减小反应体系各物质的分压，Qp小于Kp，使平衡右移；
或加入水蒸气，减小反应体系各物质的浓度，Qc小于K，使平衡右移；
（2）不能，CO有毒污染环境，而且CO成本较高。
改变浓度，使Qc 改变分压，使QP成果应用：应用模型解决真实问题
【应用3】动力学和热力学的综合因素分析
升高温度，k增大使v逐渐提高，但α降低使v逐渐下降。当t＜tm，k增大对v的提高大于α引起的降低； 当t＞tm，k增大对v的提高小于α引起的降低。
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
学科思想4：把握主次矛盾
【应用3】动力学和热力学的综合因素分析
运用数学工具，综合化学动力学、热力学原理，彰显学科思维之美、创造之美。
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
成果应用：应用模型解决真实问题
速率方程
①速率常数k—动力学控制
②SO2平衡转化率α —热力学控制
k、α随温度t变化
n是常数、，=0.90，二者均属于常量
单一因素分析变化
①t升高 k增大 ， v增大
②t升高 α减小 ， v减小
因变量
自变量
速率v
结合
曲线变化
分析矛盾主要方面
t动力学控速；
t>tm时：v减小，说明α主导，
热力学控速。
把握主次矛盾
项目成果：化学反应的设计与反应条件优化的思维模型
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
类价
二维
热力学
计算
热力学
动力学
化学平衡移动
（定性、定量）
化学反应速率
（定性、定量）
温度
催化剂
条件选择
条件优化
定性
定量
活化能Ea
速率常数k
多
快
好
省
反应设计
定性定量结合
调控主副反应
工业生产绿色工艺、安全、技术等
工业设备成本、能耗、物料循环等
价类
二维
热力学
计算
热力学
动力学
化学平衡移动
（定性、定量）
化学反应速率
（定性、定量）
催化剂
条件选择
条件优化
定性
定量
活化能Ea
速率常数k
多
快
好
省
反应设计
工业生产绿色工艺、安全、技术等
工业设备成本、能耗、物料循环等
学科思想
ΔH－TΔS
浓度
（气体压强）
平衡常数
K、Kp
转化率α、浓度商Q等
把握主次矛盾
运用耦合思想
作业布置
专题训练
项目拓展
查阅资料寻找利用二氧化碳资源的其他方法，并设计化学反应，分析反应条件的选择与优化。
项目背景
项目规划
项目研讨
项目评估
项目成果
成果应用
结束语
美美的答
常常地想
化学平衡常数（热力学）
反应速率常数（动力学）
把握反应方向（主副反应、主次矛盾）
逻辑美（严密推理、层次清晰）
语言美（紧扣主题、规范简洁）
祝
学
习
进
步！