鲁科版高中化学选择性必修1第2章化学反应的方向、限度与速率2.5微项目探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇教学课件(共17张PPT)

(共17张PPT)
微项目　探讨如何利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇
——化学反应选择与反应条件优化
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1、国内几十年不见的极端天气频发：2008年南方雪灾。2012年北京61年不遇的大暴雨。2018年超强台风“山竹”。2021年河南大暴雨等等。
2、国际极端天气：2021年日本西南部的部分地区迎来几十年来最强暴雨。2021年7月，北极出现48℃高温。2021年7月29日，巴西多地迎来罕见降雪。2021年6月29日，加拿大西部利顿连续三天打破加拿大有记录以来的高温纪录。
人类已经充分认识到这些危害并且正在采取行动，因此减碳排，碳达峰、碳中和等等诸如此类有关二氧化碳的术语频繁出现在我们眼前。
1.目前有机原料按消费量排序，前4位从大到小依次是乙烯、丙烯、苯、甲醇。
2.合成甲醇的原料
3.选择CO2作碳源合成甲醇的原因
(1)工业废气中含大量CO2，排放到空气中会带来环境问题;
(2)天然气、煤、石油属于不可再生资源，日渐减少;
(3)用CO2合成甲醇符合绿色化学要求。
大多数国家用CH4
我国用煤和重渣油
假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知 298 K，100kPa时，有如下反应:
①CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H O(g)
②CO2(g)+2H20(g)=CH3OH(g) +302(g)
反应 kJ.mol-1 J.mol-1·K-1
① -48.97 -177.16
② +676.48 -43.87
H
S
反应②
H
S
-T
=+676.48kJ.mo1-1-298K×(-0.004385)kJ·mol-1·K-1=+689.55 kJ.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。
反应①
H
S
-T
=-48.97kJ.mo1-1-298K×(-0.177 16)kJ·mol-1·K-1=+3.82 kJ.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。
项目活动2 选择适宜的反应条件
思考：选择反应条件时，需要考虑哪些因素？
平衡转化率、反应速率
安全、成本、方便、环保……
物料浓度（投料比）、气体压强、温度、催化剂等
以二氧化碳和氢气为原料合成甲醇时，通常还伴随着以下副反应：
CO (g)+H (g)=CO(g)+H O(g)
ΔH=+41.17kJ.mol-1 ΔS=+42.08 J.mol -1·K-1
【资料】
思考：综合考虑以上角度，为废气中二氧化碳与氢气合成甲醇选择适宜的反应条件
CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H O(g)
CO (g)+H (g)=CO(g)+H O(g)
放热、熵减小、气体系数和减小
吸热、熵增大、气体系数和不变
增加原料浓度、增大压强、降低温度
增加原料浓度、升高温度、增大压强、加入适当催化剂等。
催化剂的活性同时受温度等因素影响。
催化剂的选择性应偏向于主产物的形成。
1、不同n(H2)∶n(CO2)对反应的影响
阅读资料—分析实际合成甲醇条件的选择
分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO 转化率变化不明显,为避免造成大量氢气浪费,合成甲醇时并不是n(H2):n(CO2)的比值越大越好，文献大多选择的是n(H2)∶n(CO2)=3：1，可能是方程式系数和 成本的综合考量，并且更多的氢气有利于主反应的发生。
n(H2)：n(CO2) 2∶1 3∶1 5:1 7:1
α(CO )/% 11.63 13.68 15.93 18.71
φ(CH3ОH)/% 3.04 4.12 5.26 6.93
523 K，n(H2):n(CO2)=3∶1，
催化剂为Culzn/Al/Zr纳米纤维，
从图中数据变化可看出，压强越高，甲醇的产率越高，但从设备成本看，压强越高生产成本越高。
总压5MPa，n(H2):n(CO2)=3∶1，
催化剂为Culzn/Al/Zr纳米纤维，
从图中数据变化可看出，温度过高后，甲醇产率下降。
应选择合适的 n(H2):n(CO2)、较高的总压强、适宜的温度和催化剂有利于合成甲醇。另外配置二氧化碳富集装置、甲醇-水分离装置以及副产物一氧化碳回收装置等可以提高甲醇的产率。
在生产和科研实际中，我们常常需要设计新的反应路线或设计试制新的化学品。这时，首先需要判断所设计反应是否可行，即判断在某种条件下所设计反应是不能够下向自发进行、能进行到什么程度。只有在确知所设计反应可以正向自发进行时，才能进一步考虑反应的速率问题并采取具体措施，如选用催化剂等。
1.已知反应3A(g)＋B(g) 2C(g)＋2D(g)　ΔH＜0，图中，a、b曲线分别表示在不同条件下，A与B反应时，D的体积分数随时间t的变化情况。若想使曲线b(实线)变为曲线a(虚线)，可采用的措施是（ ）
①增大A的浓度　②升高温度　③增大D浓度　
④加入催化剂　⑤恒温下，缩小反应容器体积　
⑥加入稀有气体，保持容器内压强不变
A. ①②③ B. ④⑤ C. ③④⑤ D. ④⑤⑥
B
2.CH4-CO2催化重整可以得到合成气(CO和H2)，有利于减小温室效应，其主要反应为CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) ΔH＝+247 kJ·mol 1 ， 同时存在以下反应：积碳反应：CH4(g) C(s)+2H2(g) ΔH＝+75 kJ·mol 1 ， 消碳反应：CO2(g)+C(s) 2CO(g) ΔH＝+172 kJ·mol 1 ， 积碳会影响催化剂的活性，一定时间内积碳量和反应温度的关系如图。下列说法正确的是（ ）
A. 高压利于提高 CH4 的平衡转化率并减少积碳
B. 增大CO2与CH4的物质的量之比有助于减少积碳
C. 升高温度，积碳反应的化学平衡常数K减小，消碳反应的K增大
D. 温度高于600℃，积碳反应的化学反应速率减慢，消碳反应的
化学反应速率加快， 积碳量减少
B
3.利用CO 和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)+2H (g) CH3OH(g)。一定条件下，在容积为 VL 的密闭容器中充入a mol CO 与2a molH2 ，合成甲醇，CO 的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示。
(1)P1 P2(填“>”“<”或“=”)，理由是:
(2)该反应达到平衡时，反应物的转化率:CO H2(填“>”“<”或“=”)。
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甲醇的合成反应是气体分子数减少的反应，相同温度下，增大压强，CO 的平衡转化率提高
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