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——高中化学选择性必修
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B [化学反应速率随温度的升高而加快，由题图可知，当温度高
于 250 ℃时，催化剂的催化效率随温度的升高而降低，所以 M 点的
正反应速率 v(正)有可能小于 N 点的逆反应速率 v(逆)，A 错误；设开
始投料时 n(H2)为 4 mol，则 n(CO2)为 1 mol，在 M 点对应的平衡体
(3)CO 和 H2 的初始加入量之比为 1∶2，等于其系数之比，故 CO 和 H2 的转化率相等。
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(4)使用高效催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡的移动，故
A 错误；降低反应温度，反应速率减慢，故 B 错误；增大体系压强，
反应速率加快，平衡正向移动，CO 的转化率增大，故 C 正确；不断
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[思考] 1．请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发 进行？ 提示：反应①，ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·mol－1－298 K× (－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。
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将 CH3OH 从反应混合物中分离出来，降低浓度，反应速率减慢，故
D 错误；加入等物质的量的 CO 和 H2，反应速率增大，但 CO 的转
化率降低，故 E 错误。 [答案] (1)＜ 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
12V2 (2) a2
(mol·L－1)－2
②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋32O2(g) ΔH＝＋676.48 kJ·mol－1 ΔS＝－43.87 J·mol－1·K－1 ③CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1 ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1
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项目活动 1 选择合适的化学反应 假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知 298 K，100 kPa 时，有如下反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.97 kJ·mol－1 ΔS＝－177.16 J·mol－1·K－1
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(3)温度对反应的影响
不同温度对甲醇产率的影响
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总压 5 MPa，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1， 催化剂为 Cu/Zn/Al/Zr 纳米纤维 从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。
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[思考] 1．从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？ 提示：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。 2．从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？ 提示：配置二氧化碳富集装置、甲醇Fra Baidu bibliotek水分离装置以及副产物一 氧化碳回收装置等。
反应②，ΔH－TΔS＝＋676.48 kJ·mol－1－298 K×(－0.043 87) 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③，ΔH－TΔS＝＋41.17 kJ·mol－1－298 K×0.042 08 kJ·mol－1·K－1≈＋28.63 kJ·mol－1＞0，该反应属于吸热熵增反应，在 高温下正向反应自发进行。
(2)向 V L 恒容密闭容器中充入 a mol CO 与 2a mol H2，A 点时 CO 的平衡转化率为 75%，故 CO 的变化量为 0.75a mol，则根据 CO(g) ＋2H2(g) CH3OH(g)，H2 的变化量为 0.75 amol×2＝1.5a mol，
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CH3OH 的变化量为 0.75a mol，平衡时 CO 的浓度为0.2V5a mol·L－1、 H2 的浓度为0.V5a mol·L－1、CH3OH 的浓度为0.7V5a mol·L－1，平衡常 数 K＝c平c平CCOH·3cO2平HH2，代入数据得 K＝12aV2 2 (mol·L－1)－2。
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2．用 CO2 合成甲醇时发生的反应有哪些？ 提示：有反应①、③，其中反应③是较高温度时的副反应。
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项目活动 2 选择适宜的反应条件 1．理论分析 角度 1：反应限度(转化率) 反应①在低温时自发进行，Δvg＜0，加压有利于合成甲醇。据此 可知，合成甲醇应选择什么条件？ 提示：需在低温、高压条件下进行。
系中二氧化碳的转化率为 50%，列三段式得：
转化率为 50%，列三段式得：
6H2(g)＋2CO2(g) CH2===CH2(g)＋4H2O(g)
开始物质的量/mol 4
1
0
0
转化物质的量/mol 1.5 0.5
0.25
1
平衡物质的量/mol 2.5 0.5
0.25
1
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所以乙烯的体积分数为2.5＋0.05.＋250.25＋1×100%≈5.88%，B 正确；催化剂不影响平衡转化率，只影响化学反应速率，C 错误；根 据题图可知，当温度高于 250 ℃时，升高温度二氧化碳的平衡转化率 降低，则说明平衡逆向移动，但催化剂的催化效率与化学平衡没有关 系，并不是平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低，D 错误。]
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。
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3
[必备知识] 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．合成甲醇的原料大 我多 国数 用国 煤家 和用 重渣CH油4
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4
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。
(3)＝ (4)C
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角度 2：反应速率 为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化 剂均可加快反应速率。 矛盾之处——发现问题： 升温，不利于反应①的平衡正向移动，同时副反应③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。
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理论分析条件的选择 工业生产的目的是获得利润，因此选择合成甲醇的适宜条件时， 既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应速率、应选择以较 高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。
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。
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(2)改变压强对反应的影响
不同总压对甲醇产率的影响
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523 K，n(H2)∶n(CO)2＝3∶1， 催化剂为 Cu/Zn/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。
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(4)下列措施中能够同时满足增大反应速率和提高 CO 转化率的 是________(填字母)。
A．使用高效催化剂 B．降低反应温度 C．增大体系压强 D．不断将 CH3OH 从反应混合物中分离出来 E．加入等物质的量的 CO 和 H2
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[解析] (1)由图像可知，相同温度下，p2 压强下 CO 的平衡转化 率大于 p1 压强下 CO 的平衡转化率，正反应是气体体积减小的反应， 压强增大，平衡正向移动，所以 p1＜p2。
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1．一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g) CH2===CH2(g)＋ 4H2O(g)。已知温度对 CO2 的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如 图。下列说法正确的是( )
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A．M 点的正反应速率 v(正)大于 N 点的逆反应速率 v(逆) B．若投料比 n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，则图中 M 点对应乙烯的体 积分数为 5.88% C．250 ℃，催化剂对 CO2 平衡转化率的影响最大 D．当温度高于 250 ℃，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的 催化效率降低
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2．例证——实际合成甲醇条件的选择
(1)不同 n(H2)∶n(CO2)对反应的影响
n(H2)∶n(CO2)
2∶1 3∶1 5∶1 7∶1
α(CO2)/%
11.63 13.68 15.93 18.71
φ(CH3OH)/%
3.04 4.12 5.26 6.93
分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2 转化率变化
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第2章 化学反应的方向、限度与速率
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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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。
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2．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 V L 的密闭容器中充入 a mol CO 与 2a mol H2 合成甲醇，CO 的平衡转化率与温度、压强的 关系如图所示。
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(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“＝”)。
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设计化学反应来解决实际问题的一般思路 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否能够正向自发进行、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。
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B [化学反应速率随温度的升高而加快，由题图可知，当温度高
于 250 ℃时，催化剂的催化效率随温度的升高而降低，所以 M 点的
正反应速率 v(正)有可能小于 N 点的逆反应速率 v(逆)，A 错误；设开
始投料时 n(H2)为 4 mol，则 n(CO2)为 1 mol，在 M 点对应的平衡体
(3)CO 和 H2 的初始加入量之比为 1∶2，等于其系数之比，故 CO 和 H2 的转化率相等。
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(4)使用高效催化剂可以加快反应速率，但不影响平衡的移动，故
A 错误；降低反应温度，反应速率减慢，故 B 错误；增大体系压强，
反应速率加快，平衡正向移动，CO 的转化率增大，故 C 正确；不断
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[思考] 1．请根据焓变和熵变复合判据判断上述三个反应是否正向自发 进行？ 提示：反应①，ΔH－TΔS＝－48.97 kJ·mol－1－298 K× (－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。
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将 CH3OH 从反应混合物中分离出来，降低浓度，反应速率减慢，故
D 错误；加入等物质的量的 CO 和 H2，反应速率增大，但 CO 的转
化率降低，故 E 错误。 [答案] (1)＜ 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
12V2 (2) a2
(mol·L－1)－2
②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋32O2(g) ΔH＝＋676.48 kJ·mol－1 ΔS＝－43.87 J·mol－1·K－1 ③CO2(g)＋H2(g)===CO(g)＋H2O(g) ΔH＝＋41.17 kJ·mol－1 ΔS＝＋42.08 J·mol－1·K－1
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项目活动 1 选择合适的化学反应 假设反应焓变和熵变不随温度的改变而变化，已知 298 K，100 kPa 时，有如下反应： ①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH＝－48.97 kJ·mol－1 ΔS＝－177.16 J·mol－1·K－1
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(3)温度对反应的影响
不同温度对甲醇产率的影响
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总压 5 MPa，n(H2)∶n(CO2)＝3∶1， 催化剂为 Cu/Zn/Al/Zr 纳米纤维 从图中信息看出温度过高后甲醇产率下降。
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[思考] 1．从以上(1)、(2)、(3)的分析，合成甲醇的适宜条件应如何选择？ 提示：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。 2．从工业生产流程考虑还有哪些手段可提高甲醇的产率？ 提示：配置二氧化碳富集装置、甲醇Fra Baidu bibliotek水分离装置以及副产物一 氧化碳回收装置等。
反应②，ΔH－TΔS＝＋676.48 kJ·mol－1－298 K×(－0.043 87) 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③，ΔH－TΔS＝＋41.17 kJ·mol－1－298 K×0.042 08 kJ·mol－1·K－1≈＋28.63 kJ·mol－1＞0，该反应属于吸热熵增反应，在 高温下正向反应自发进行。
(2)向 V L 恒容密闭容器中充入 a mol CO 与 2a mol H2，A 点时 CO 的平衡转化率为 75%，故 CO 的变化量为 0.75a mol，则根据 CO(g) ＋2H2(g) CH3OH(g)，H2 的变化量为 0.75 amol×2＝1.5a mol，
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CH3OH 的变化量为 0.75a mol，平衡时 CO 的浓度为0.2V5a mol·L－1、 H2 的浓度为0.V5a mol·L－1、CH3OH 的浓度为0.7V5a mol·L－1，平衡常 数 K＝c平c平CCOH·3cO2平HH2，代入数据得 K＝12aV2 2 (mol·L－1)－2。
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2．用 CO2 合成甲醇时发生的反应有哪些？ 提示：有反应①、③，其中反应③是较高温度时的副反应。
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项目活动 2 选择适宜的反应条件 1．理论分析 角度 1：反应限度(转化率) 反应①在低温时自发进行，Δvg＜0，加压有利于合成甲醇。据此 可知，合成甲醇应选择什么条件？ 提示：需在低温、高压条件下进行。
系中二氧化碳的转化率为 50%，列三段式得：
转化率为 50%，列三段式得：
6H2(g)＋2CO2(g) CH2===CH2(g)＋4H2O(g)
开始物质的量/mol 4
1
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转化物质的量/mol 1.5 0.5
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平衡物质的量/mol 2.5 0.5
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所以乙烯的体积分数为2.5＋0.05.＋250.25＋1×100%≈5.88%，B 正确；催化剂不影响平衡转化率，只影响化学反应速率，C 错误；根 据题图可知，当温度高于 250 ℃时，升高温度二氧化碳的平衡转化率 降低，则说明平衡逆向移动，但催化剂的催化效率与化学平衡没有关 系，并不是平衡逆向移动导致催化剂的催化效率降低，D 错误。]
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。
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[必备知识] 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．合成甲醇的原料大 我多 国数 用国 煤家 和用 重渣CH油4
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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。
(3)＝ (4)C
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角度 2：反应速率 为提高单位时间内甲醇的产量需加快反应速率。升温、使用催化 剂均可加快反应速率。 矛盾之处——发现问题： 升温，不利于反应①的平衡正向移动，同时副反应③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。
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理论分析条件的选择 工业生产的目的是获得利润，因此选择合成甲醇的适宜条件时， 既不能片面追求高转化率，也不能片面追求高反应速率、应选择以较 高反应速率获得适当平衡转化率的反应条件。
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。
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(2)改变压强对反应的影响
不同总压对甲醇产率的影响
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523 K，n(H2)∶n(CO)2＝3∶1， 催化剂为 Cu/Zn/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。
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(4)下列措施中能够同时满足增大反应速率和提高 CO 转化率的 是________(填字母)。
A．使用高效催化剂 B．降低反应温度 C．增大体系压强 D．不断将 CH3OH 从反应混合物中分离出来 E．加入等物质的量的 CO 和 H2
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[解析] (1)由图像可知，相同温度下，p2 压强下 CO 的平衡转化 率大于 p1 压强下 CO 的平衡转化率，正反应是气体体积减小的反应， 压强增大，平衡正向移动，所以 p1＜p2。
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1．一定条件下合成乙烯：6H2(g)＋2CO2(g) CH2===CH2(g)＋ 4H2O(g)。已知温度对 CO2 的平衡转化率和催化剂催化效率的影响如 图。下列说法正确的是( )
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A．M 点的正反应速率 v(正)大于 N 点的逆反应速率 v(逆) B．若投料比 n(H2)∶n(CO2)＝4∶1，则图中 M 点对应乙烯的体 积分数为 5.88% C．250 ℃，催化剂对 CO2 平衡转化率的影响最大 D．当温度高于 250 ℃，升高温度，平衡逆向移动导致催化剂的 催化效率降低
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2．例证——实际合成甲醇条件的选择
(1)不同 n(H2)∶n(CO2)对反应的影响
n(H2)∶n(CO2)
2∶1 3∶1 5∶1 7∶1
α(CO2)/%
11.63 13.68 15.93 18.71
φ(CH3OH)/%
3.04 4.12 5.26 6.93
分析表中数据看出，n(H2)∶n(CO2)数值增大，CO2 转化率变化
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第2章 化学反应的方向、限度与速率
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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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。
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2．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 V L 的密闭容器中充入 a mol CO 与 2a mol H2 合成甲醇，CO 的平衡转化率与温度、压强的 关系如图所示。
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(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“＝”)。
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设计化学反应来解决实际问题的一般思路 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否能够正向自发进行、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。