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高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1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公开课课件ppt
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这是一份高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1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公开课课件ppt，共19页。PPT课件主要包含了化学反应角度，实际生产角度，涉及影响因素，反应速率，主反应，副反应，提高反应速率等内容，欢迎下载使用。
“温室效应”是当代人类社会面临的全球性环境问题之一，如果大气中的二氧化碳气体含量增加1倍，全球的年平均气温将升高1.5~4.5℃。科学家预测，随着人类活动产生的温率气体大量增加，到 2100 年，全球气温将上升2~5℃。随着温室效应的不断增强，将对人类生存环境和社会经济发生重大影响。有的科学家认为，随着全球气候变暖，两极冰雪会部分融化，从而导致海平面上升，使沿海的一些国家和城市被海水淹没。另外，随着气温升高，各地区降水和干湿状况也会发生变化，气候变化还会引起一些疾病蔓延，危害人体健康等。因此二氧化碳的“温室效应”，已引起世界各国的普遍关注。温室效应使地球温度升高，会让南北极冰川融化、海平面上升。继而引发一系列人类不可承受的天灾。近几年，全球气温变暖导致的灾难性后果是肉眼可见的，全球范围内频频出现几十年难遇、百年难遇的洪涝干旱，暴风、冰雪、极寒酷热天气。
二氧化碳的对环境的影响
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。
海水酸化:海洋为我们提供了丰富的生物资源，并且通过大量吸收大气中的二氧化碳，减缓了大气中二氧化碳的上升趋势。但是随着大气中二氧化碳的总量不断增加，二氧化碳不断溶于海水中，最终使得海水的PH值降低。研究表明从1751-1994年海洋表明的PH值平均下降了0.075，这可能对海洋生物油漆是甲壳类、无脊椎生物的生存有威胁。海洋是地球生物的气源，海洋酸化作为温室气体引发的又一个环境问题，海水酸化不仅可能引发海水化学组分发生变化，还可能改变海洋生态系统的生物链，甚至对全球气候产生影响。
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。
思考：如何解决二氧化碳排放对环境造成的影响？
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)+H₂O(g)②CO2(g)+2H20(g)=CH3OH(g) +302(g)
项目活动1 选择合适的化学反应
[思考]1.请根据焓变和熵变复合判据判断上述两个反应是否正向自发进行?
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？
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： CO₂(g)+H₂(g)=CO(g)+H₂O(g) ΔH=+ ΔS=+42.08 J.ml -1·K-1
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)+H₂O(g)
CO₂(g)+H₂(g)=CO(g)+H₂O(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
提高主反应的平衡产率：
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。
发现问题:升温，不利于主反应的平衡正向移动，同时副反应正向移动，副产物增多;使用催化剂加快反应速率，但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。
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，CO₂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。
2、改变压强对反应的影响
不同总压对甲醇产率的影响
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。
3、温度对反应的影响
不同温度对甲醇产率的影响
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。
4、催化剂的组成对反应的影响
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。
设计化学反应来解决实际问题的一般思路
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·ml−1 ， 同时存在以下反应：积碳反应：CH4(g)⇌C(s)+2H2(g) ΔH＝+75 kJ·ml−1 ， 消碳反应：CO2(g)+C(s)⇌2CO(g) ΔH＝+172 kJ·ml−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
3.利用CO 和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)+2H₂(g) CH3OH(g)。一定条件下，在容积为 VL 的密闭容器中充入a ml CO 与2a mlH2 ，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)该甲醇合成反应在A点的平衡常数K= (用 a和V表示)。 (3)该反应达到平衡时，反应物的转化率:CO H2(填“>”“<”或“=”)。
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
“温室效应”是当代人类社会面临的全球性环境问题之一，如果大气中的二氧化碳气体含量增加1倍，全球的年平均气温将升高1.5~4.5℃。科学家预测，随着人类活动产生的温率气体大量增加，到 2100 年，全球气温将上升2~5℃。随着温室效应的不断增强，将对人类生存环境和社会经济发生重大影响。有的科学家认为，随着全球气候变暖，两极冰雪会部分融化，从而导致海平面上升，使沿海的一些国家和城市被海水淹没。另外，随着气温升高，各地区降水和干湿状况也会发生变化，气候变化还会引起一些疾病蔓延，危害人体健康等。因此二氧化碳的“温室效应”，已引起世界各国的普遍关注。温室效应使地球温度升高，会让南北极冰川融化、海平面上升。继而引发一系列人类不可承受的天灾。近几年，全球气温变暖导致的灾难性后果是肉眼可见的，全球范围内频频出现几十年难遇、百年难遇的洪涝干旱，暴风、冰雪、极寒酷热天气。
二氧化碳的对环境的影响
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。
海水酸化:海洋为我们提供了丰富的生物资源，并且通过大量吸收大气中的二氧化碳，减缓了大气中二氧化碳的上升趋势。但是随着大气中二氧化碳的总量不断增加，二氧化碳不断溶于海水中，最终使得海水的PH值降低。研究表明从1751-1994年海洋表明的PH值平均下降了0.075，这可能对海洋生物油漆是甲壳类、无脊椎生物的生存有威胁。海洋是地球生物的气源，海洋酸化作为温室气体引发的又一个环境问题，海水酸化不仅可能引发海水化学组分发生变化，还可能改变海洋生态系统的生物链，甚至对全球气候产生影响。
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。
思考：如何解决二氧化碳排放对环境造成的影响？
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)+H₂O(g)②CO2(g)+2H20(g)=CH3OH(g) +302(g)
项目活动1 选择合适的化学反应
[思考]1.请根据焓变和熵变复合判据判断上述两个反应是否正向自发进行?
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？
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： CO₂(g)+H₂(g)=CO(g)+H₂O(g) ΔH=+ ΔS=+42.08 J.ml -1·K-1
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)+H₂O(g)
CO₂(g)+H₂(g)=CO(g)+H₂O(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
提高主反应的平衡产率：
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。
发现问题:升温，不利于主反应的平衡正向移动，同时副反应正向移动，副产物增多;使用催化剂加快反应速率，但不影响反应转化率，同时催化剂活性受温度影响。
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，CO₂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。
2、改变压强对反应的影响
不同总压对甲醇产率的影响
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。
3、温度对反应的影响
不同温度对甲醇产率的影响
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。
4、催化剂的组成对反应的影响
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。
设计化学反应来解决实际问题的一般思路
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·ml−1 ， 同时存在以下反应：积碳反应：CH4(g)⇌C(s)+2H2(g) ΔH＝+75 kJ·ml−1 ， 消碳反应：CO2(g)+C(s)⇌2CO(g) ΔH＝+172 kJ·ml−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
3.利用CO 和H2可以合成甲醇，反应原理为CO(g)+2H₂(g) CH3OH(g)。一定条件下，在容积为 VL 的密闭容器中充入a ml CO 与2a mlH2 ，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)该甲醇合成反应在A点的平衡常数K= (用 a和V表示)。 (3)该反应达到平衡时，反应物的转化率:CO H2(填“>”“<”或“=”)。
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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