探究合成甲醇的原料





【情境創(chuàng)設(shè)】
素養(yǎng)解讀
甲醇?CH3OH?是一種基礎(chǔ)有機(jī)化工原料，廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、高分子等化工生產(chǎn)領(lǐng)域，其消費(fèi)量在有機(jī)原料中僅次于乙烯、丙烯和苯，位居第四位。隨著能源結(jié)構(gòu)的改變，甲醇將成為21世紀(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力的清潔燃料之一。它易傳輸，可以單獨(dú)或與汽油混合作為汽車燃料。目前，


世界上大多數(shù)國(guó)家以天然氣為主要原料來(lái)合成甲醇，在我國(guó)則是以煤和重渣油為主要原料。這些原料都日漸減少，人們正在積極尋找新的碳源來(lái)合成甲醇。
1.素養(yǎng)要求——科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)：能發(fā)現(xiàn)和提出有探究?jī)r(jià)值的問(wèn)題；能從問(wèn)題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)探究方案。


2．素養(yǎng)目標(biāo)：通過(guò)“二氧化碳合成甲醇的探究”，學(xué)習(xí)利用化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)方向解決工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)自主探究的能力與創(chuàng)新意識(shí)。
【探究過(guò)程】
素養(yǎng)評(píng)價(jià)
【探究任務(wù)一：方案設(shè)計(jì)】


(1)判斷所設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行


利用二氧化碳合成甲醇，還需要尋找氫源。如果選取常見(jiàn)的水或氫氣作為氫源，你可能設(shè)計(jì)出以下兩個(gè)反應(yīng)。


①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)


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


反應(yīng)
ΔH/(kJ·ml－1)
ΔS/(J·ml－1·K－1)

①
－48.97
－177.16

②
＋676.48
－43.87

注：反應(yīng)條件為溫度298 K，各氣體分壓100 kPa。


請(qǐng)運(yùn)用焓變、熵變的相關(guān)知識(shí)，判斷以上兩個(gè)反應(yīng)能否正向自發(fā)進(jìn)行。


提示：反應(yīng)①，ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·ml－1－298 K×(－0.177 16 kJ·ml－1·K－1)＝3.82 kJ·ml－1＞0，該反應(yīng)屬于放熱熵減反應(yīng)，降低溫度時(shí)正向反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行。


反應(yīng)②，ΔH－TΔS＝＋676.48 kJ·ml－1－298 K×(－0.043 87 kJ·ml－1·K－1)＝＋689.55 kJ·ml－1＞0，該反應(yīng)屬于吸熱熵減反應(yīng)，在任何溫度下正向反應(yīng)均不自發(fā)進(jìn)行。


【探究任務(wù)二：選擇適宜的生產(chǎn)條件】


研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳和氫氣反應(yīng)合成甲醇時(shí)，通常還伴隨發(fā)生以下副反應(yīng)：


③CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)


該反應(yīng)的焓變?yōu)椋?1.17 kJ·ml－1、熵變?yōu)椋?2.08 J·ml－1·K－1，為吸熱的熵增加反應(yīng)。由“ΔH－TΔS判斷”可知，高溫下該反應(yīng)能正向自發(fā)進(jìn)行。


對(duì)于選定的反應(yīng)，在初步判斷其可以在一定溫度和壓強(qiáng)下正向自發(fā)進(jìn)行后，我們還需要結(jié)合理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇適宜的反應(yīng)條件，促進(jìn)主反應(yīng)，抑制副反應(yīng)，以盡可能高效率地獲得預(yù)期產(chǎn)物。


(2)為了提高甲醇的產(chǎn)率和反應(yīng)速率，減少副反應(yīng)的發(fā)生，在選擇適宜的反應(yīng)條件時(shí)，你會(huì)考慮哪些影響因素？這些因素可能對(duì)主反應(yīng)和副反應(yīng)產(chǎn)生什么影響？你預(yù)測(cè)的理論依據(jù)是什么？


提示：在選擇反應(yīng)條件時(shí)需要考慮溫度、濃度、壓強(qiáng)、催化劑等影響因素。


分析總壓的影響可知，對(duì)于Δνg＜0的反應(yīng)①，增大總壓，有利于該反應(yīng)的平衡正向移動(dòng)。但對(duì)于Δνg＝0的副反應(yīng)③，總壓的改變不會(huì)使其平衡移動(dòng)。因此，增大總壓，甲醇的產(chǎn)率會(huì)提高。


從溫度角度看，升溫不利于放熱的主反應(yīng)①正向進(jìn)行，不利于該平衡的正向移動(dòng)，但利于吸熱的副反應(yīng)③正向進(jìn)行，利于其平衡的正向移動(dòng)。因此，溫度越高，甲醇的產(chǎn)率越低。


(3)綜合各方面的因素，為反應(yīng)①選擇適宜的反應(yīng)條件。以真實(shí)的工業(yè)生產(chǎn)為目標(biāo)，你還可以提出哪些手段提高甲醇的產(chǎn)率？


提示：配置二氧化碳富集裝置、甲醇與水的分離裝置，以及副產(chǎn)物一氧化碳的回收循環(huán)裝置等，來(lái)提高甲醇的產(chǎn)率。


【項(xiàng)目成果展示】 概述針對(duì)目標(biāo)的化學(xué)反應(yīng)設(shè)計(jì)過(guò)程及理論依據(jù)



科學(xué)探究——水平1：能利用焓變、熵變判斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向。


科學(xué)探究——水平2：具有較強(qiáng)的問(wèn)題意識(shí)，能與同學(xué)討論設(shè)計(jì)的思路和提出實(shí)驗(yàn)后感，獨(dú)立完成探究任務(wù)，交流探究成果。


證據(jù)推理—水平3：能依據(jù)反應(yīng)特征尋找充足的證據(jù)，能解釋證據(jù)和結(jié)論之間的關(guān)系。


證據(jù)推理—水平4：能對(duì)復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題情境中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析以建構(gòu)相應(yīng)的模型。

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