Question

3．二甲醚（CH₃OCH₃）是一种清洁、高效、具有优良的环保性能的可燃物，被称为21世纪的新型能源．
工业制备二甲醚的生产流程如图：

催化反应室中（压力2.0～10.0Mpa，温度300℃）进行下列反应：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol
（1）催化反应室中总反应3CO（g）+3H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.1kJ/mol．
据此可判断该反应低温条件下自发．
（2）在温度和容积不变的条件下发生反应①，能说明该反应达到平衡状态的依据是ab
a．容器中压强保持不变          b．混合气体中c （CO）不变
c．V正（CO）=V逆（H₂）    d．c （CO₃OH）=c （CO）
（3）在2L的容器中加入amo1CH₃OH（g）发生反应②，达到平衡后若再加入amo1CH₃OH（g）重新达到平衡时，CH₃OH的转化率不变（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（4）850℃时在一体积为10L的容器中通入一定量的CO和H₂O（g）发生反应③，CO和H₂O（g）浓度变化如图所示．

①0～4min的平均反应速率v（CO）=0.03mol/（L•min）．
②若温度不变，向该容器中加入4mo1CO（g）、2mo1H₂O（g）、3mo1CO₂（g）和3mo1H₂（g），起始时V_正＜V_逆（填“＜”、“＞”或“=”），请结合必要的计算说明理由化学平衡常数K=$\frac{0.12×0.12}{0.18×0.08}$=1，浓度商=$\frac{3×3}{4×2}$=1.125＞1，平衡逆向移动，所以
V_正＜V_逆
（5）上述工艺制备流程中二甲醚精制的实验操作名称为蒸馏．

Answer 1

分析 氢气和CO以1：1的物质的量发生反应生成HCHO，将未反应的氢气和CO放出后，HCHO脱除二氧化碳生成二甲醚，二甲醚精制得到二甲醚、甲醇和水，
（1）根据盖斯定律计算反应热，如果△G=△H-T△S＜0时反应能自发进行；
（2）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，反应体系中各物质的物质的量不变、物质的量浓度不变、百分含量不变以及由此引起的一系列物理量不变；
（3）该反应前后气体物质的量之和不变，则压强不影响平衡移动；
（4）①0～4min的平均反应速率v（CO）=$\frac{△c}{△t}$；
②先计算浓度商，根据浓度商与化学平衡常数相对大小确定反应方向，从而确定正逆反应速率相对大小；
（5）互溶的液体采用蒸馏的方法分离提纯．

解答 解：氢气和CO以1：1的物质的量发生反应生成HCHO，将未反应的氢气和CO放出后，HCHO脱除二氧化碳生成二甲醚，二甲醚精制得到二甲醚、甲醇和水，
（1）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol
将方程式2①+②+③得3CO（g）+3H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=2×（-90.7kJ/mol
）+（-23.5kJ/mol）+（-41.2kJ/mol）=-246.1kJ/mol，如果△G=△H-T△S＜0时反应能自发进行，该反应的焓变小于0，熵变大于0，要使△G=△H-T△S＜0，应该在较低温度下进行，
故答案为：-246.1kJ/mol；低温；
（2）a．反应前后气体物质的量减小，压强减小，当容器中压强保持不变时，该反应达到平衡状态，故a正确；
b．混合气体中c （CO）不变时，正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故b正确；
c．当3V正（CO）=V逆（H₂）时，该反应达到平衡状态，所以当 V正（CO）=V逆（H₂）时，反应没有达到平衡状态，故c错误；
d．c （CO₃OH）=c （CO）时，该反应可能达到平衡状态，也可能没有达到平衡状态，与反应初始浓度及转化率有关，故d错误；
故选ab；
（3）该反应前后气体物质的量之和不变，则压强不影响平衡移动，所以平衡后再加入甲醇，甲醇的转化率不变，故答案为：不变；
（4）①0～4min的平均反应速率v（CO）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.20-0.08}{4}$mol/（L．min）=0.03mol/（L•min），
故答案为：0.03mol/（L•min）；
②平衡时c（H₂O）=0.18mol/L、c（CO）=0.08mol/L、c（CO₂）=c（H₂）=（0.20-0.08）mol/L=0.12mol/L，化学平衡常数K=$\frac{0.12×0.12}{0.18×0.08}$=1，浓度商=$\frac{3×3}{4×2}$=1.125＞1，平衡逆向移动，则V_正＜V_逆，
故答案为：＜；化学平衡常数K=$\frac{0.12×0.12}{0.18×0.08}$=1，浓度商=$\frac{3×3}{4×2}$=1.125＞1，平衡逆向移动，所以
V_正＜V_逆；
（5）互溶的液体采用蒸馏的方法分离提纯，二甲醚和甲醇互溶，应该采用蒸馏方法分离提纯，
故答案为：蒸馏．

点评 本题考查化学平衡计算、化学平衡状态判断、盖斯定律等知识点，侧重考查学生分析判断及计算能力，明确平衡状态判断方法、化学平衡常数与浓度商的相对大小与反应方向的关系是解本题关键，注意（3）题反应方向的判断方法，题目难度中等．