第2章 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学案（含答案）-高中化学鲁科版选择性必修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 [学习目标]　1.通过利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇反应的选择以及对反应条件的优化，体会反应的焓变、熵变、化学平衡和速率相关知识的应用价值，形成从物质转化以及反应的方向、限度、快慢等多个角度综合分析、解决工业生产实际问题的基本思路。2.通过本项目的学习，树立绿色化学理念，认识到利用化学反应将无用物质转化为有用物质是解决环境问题的重要途径之一。 [重点难点]　能从限度、速率、能耗等角度对化学反应和化工生产条件进行综合分析。 　　　　　　　选择合适的化学反应 导学 随着现代工业的快速发展，工业废气的排放量日益增大，带来的环境问题日益严重。二氧化碳是工业废气中的常见物质，有关二氧化碳的综合开发利用越来越受到人们的关注。 (1)甲醇(CH3OH)是一种基础有机化工原料，随着能源结构的改变，甲醇将成为21世纪具有竞争力的清洁燃料之一。 (2)如果能利用含有二氧化碳的工业废气为碳源合成甲醇，既可为减少二氧化碳的排放提供一种良好的解决方法，又可为甲醇的合成提供一条绿色合成的新途径。 导思 如果选用常见的氢气或水作为氢源，与工业废气中的二氧化碳合成甲醇可能设计出以下两个反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.97 kJ·mol－1，ΔS＝－177.16 J·mol－1·K－1 ②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋O2(g) ΔH＝＋676.48 kJ·mol－1，ΔS＝－43.87 J·mol－1·K－1 (注：反应温度为298 K，各气体分压为100 kPa) (1)分析上述两个反应，哪个反应更适宜于甲醇的工业生产？请说明理由。 提示　反应①适合工业合成甲醇。 假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，根据题中提供的数据可知，反应①为放热的熵减小反应，低温下能正向自发进行；而反应②为吸热的熵减小反应，任何温度下反应②都不能正向自发进行。因此，工业上可利用反应①将工业废气中的二氧化碳合成甲醇。 (2)研究发现，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： ③CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) 298 K时，该反应的焓变为＋41.17 kJ·mol－1，熵变为＋42.08 J·mol－1·K－1。为减少副反应的发生，应采取低温、还是高温？阐述判断的理由。 提示　应采取低温。H2与CO2合成甲醇为放热、熵减小的反应，低温下能正向自发进行，而副反应为吸热、熵增加的反应，高温下能正向自发进行，因而为减少副反应的发生应选取的反应条件为低温。 导练 现代工业的发展导致CO2的大量排放，对环境造成的影响日益严重，通过各国科技工作者的努力，已经开发出许多将CO2回收利用的技术，其中催化转化法最具应用价值。在催化转化法回收利用CO2的过程中，可能涉及以下化学反应： ①CO2(g)＋2H2O(l)??CH3OH(l)＋O2(g) ΔH＝＋727 kJ·mol－1　ΔG＝＋818 kJ·mol－1 ②CO2(g)＋2H2O(l)??CH4(g)＋2O2(g) ΔH＝＋890 kJ·mol－1　ΔG＝＋818 kJ·mol－1 ③CO2(g)＋3H2(g)??CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH＝－131 kJ·mol－1　ΔG＝－9.35 kJ·mol－1 ④CO2(g)＋4H2(g)??CH4(g)＋2H2O(l) ΔH＝－253 kJ·mol－1　ΔG＝－130 kJ·mol－1 从化学平衡的角度来看，上述化学反应中反应进行程度最小的是_____(填序号，下同)，反应进行程度最大的是_____。 答案　②　④ 解析　(1)自由能越小，反应越容易发生，反应的焓变不随温度变化而发生变化，反应的自由能与温度有关，上述反应的自由能所处温度相同，反应①②的自由能均大于0，且二者自由能相等，反应②在反应过程中吸收的能量较反应①多，因此反应②更难发生，反应进行程度最小；反应③④的自由能均小于0，反应④在反应过程中放出的能量较反应③多，因此反应④更易发生，反应进行程度最大。 　　　　 ... ...