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【探究任务一：方案设计】
(1)判断所设计化学反应能否自发进行
利用二氧化碳合成甲醇，还需要寻找氢源。如果选取常见的水或氢气作为氢源，你可能设计出以下两个反应。
①CO2(g)＋3H2(g)===CH3OH(g)＋H2O(g)
②CO2(g)＋2H2O(g)===CH3OH(g)＋O2(g)
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反应
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ΔH/(kJ·mol－1)
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ΔS/(J·mol－1·K－1)
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①
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－48.97
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－177.16
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②
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＋676.48
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－43.87
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注：反应条件为温度298 K，各气体分压100 kPa。
请运用焓变、熵变的相关知识，判断以上两个反应能否正向自发进行。
[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。
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。
【探究任务二：选择适宜的生产条件】
研究发现，二氧化碳和氢气反应合成甲醇时，通常还伴随发生以下副反应：
③CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)
该反应的焓变为＋41.17 kJ·mol－1、熵变为＋42.08 J·mol－1·K－1，为吸热的熵增加反应。由“ΔH－TΔS判断”可知，高温下该反应能正向自发进行。
对于选定的反应，在初步判断其可以在一定温度和压强下正向自发进行后，我们还需要结合理论分析和实验数据，选择适宜的反应条件，促进主反应，抑制副反应，以尽可能高效率地获得预期产物。
(2)为了提高甲醇的产率和反应速率，减少副反应的发生，在选择适宜的反应条件时，你会考虑哪些影响因素？这些因素可能对主反应和副反应产生什么影响？你预测的理论依据是什么？
[提示] 在选择反应条件时需要考虑温度、浓度、压强、催化剂等影响因素。
分析总压的影响可知，对于Δνg＜0的反应①，增大总压，有利于该反应的平衡正向移动。但对于Δνg＝0的副反应③，总压的改变不会使其平衡移动。因此，增大总压，甲醇的产率会提高。从温度角度看，升温不利于放热的主反应①正向进行，不利于该平衡的正向移动，但利于吸热的副反应③正向进行，利于其平衡的正向移动。因此，温度越高，甲醇的产率越低。
(3)综合各方面的因素，为反应①选择适宜的反应条件。以真实的工业生产为目标，你还可以提出哪些手段提高甲醇的产率？
[提示] 配置二氧化碳富集装置、甲醇与水的分离装置，以及副产物一氧化碳的回收循环装置等，来提高甲醇的产率。
【项目成果展示】 概述针对目标的化学反应设计过程及理论依据
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科学探究——水平1：能利用焓变、熵变判断化学反应进行的方向。
科学探究——水平2：具有较强的问题意识，能与同学讨论设计的思路和提出实验后的想法，独立完成探究任务，交流探究成果。
证据推理——水平3：能依据反应特征寻找充足的证据，能解释证据和结论之间的关系。
证据推理——水平4：能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型。
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