Question

11．二甲醚是一种重要的清洁燃料，也可替代氟利昂作制冷剂等，对臭氧层无破坏作用．工业上可利用煤的气化产物（水煤气）合成二甲醚．
请回答下列问题：
（1）煤的气化的主要化学反应方程式为：C+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+H₂．
（2）利用水煤气合成二甲醚的三步反应如下：
①2H₂（g）+CO（g）═CH₃OH（g）；△H=-90.8kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）；△H=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）；△H=-41.3kJ•mol^-1
总反应：3H₂（g）+3CO（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂ （g）的△H=-246.4 kJ•mol^-1；一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡，要提高CO的转化率，可以采取的措施是ce（填字母代号）．
a．高温高压          b．加入催化剂        c．减少CO₂的浓度
d．增加CO的浓度    e．分离出二甲醚
（3）已知反应②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）某温度下的平衡常数为400．此温度下，在密闭恒容容器中加入CH₃OH，反应到某时刻测得各组分浓度如下：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
浓度/（mol•L-1）	0.44	0.6	0.6

①比较此时正、逆反应速率的大小：v_正＞ v_逆 （填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入CH₃OH后，经10min反应达到平衡，此时c（CH₃OH）=0.04 mol•L^-1；该时间内反应速率v（CH₃OH）=0.16 mol/（L•min）．
③下列措施中能说明反应达到平衡状态的是D
A．体系压强保持不变　　　 B．混合气体的密度保持不变
C．CH₃OH与H₂O的浓度之比为1：2
D．单位时间内，消耗2mol CH₃OH的同时消耗1molH₂O．

Answer 1

分析 （1）煤的气化是利用煤与水蒸气高温条件小反应，生成CO和H₂；
（2）利用盖斯定律结合已知反应的热方程式计算；
（3）①根据Qc=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）×c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$计算，然后比较与k的大小，再判断反应方向；
②根据方程式计算平衡常数，然后利用三段式法解答；
③当化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再发生变化，根据密度和平均相对分子质量的公式进行分析解答该题．

解答 解：（1）煤的气化是利用煤与水蒸气高温条件小反应，生成CO和H₂的过程：C+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+H₂，
故答案为：C+H₂O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+H₂；
（2）由盖斯定律可知，通过①×2+②+③可得所求反应方程式，则△H=-90.8kJ/mol×2-23.5kJ/mol-41.3kJ/mol=-246.4kJ/mol，一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡，要提高CO的转化率，应使平衡向正反应方向移动，可减少CO₂的浓度或分离出二甲醚，由于反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，转化率减小，催化剂不影响平衡移动，而增加CO的浓度，CO的转化率反而减小；
故答案为：-246.4 kJ•mol^-1；c、e；
（3）①Qc=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）×c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$=$\frac{0.6×0.6}{0.4{4}^{2}}$=1.86＜400，故反应向正反应方向进行，正反应速率大于逆反应速率，
故答案为：＞；
②2CH₃OH（g）≒CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
某时刻浓度（mol•L^-1）：0.44       0.6        0.6
转化浓度（mol•L^-1）：2x        x          x
平衡浓度（mol•L^-1）：0.44-2x   0.6+x      0.6+x
K=$\frac{（0.6+x）^{2}}{（0.44-2x）^{2}}$，解得x=0.2mol/L，
故平衡时c（CH₃OH）=0.44mol/L-0.2mol/L×2=0.04mol/L，
起始时在密闭容器中加入CH₃OH，
则起始时甲醇的浓度为0.44moL/L+0.6mol/L×2=1.64mol/L，平衡时c（CH₃OH）=0.04mol/L，
则10min转化甲醇1.64moL/L-0.04moL/L=1.6mol/L，
所以甲醇的反应速率为v（CH₃OH）=$\frac{1.6mol/L}{10min}$=0.16 mol/（L•min），
故答案为：0.04 mol•L^-1； 0.16 mol/（L•min）；
③A．反应物和生成物中气体的计量数之和相等，容器中压强不变，不能证明达到了平衡状态，故A错误；
B．反应前后气体的体积和质量均不变，所以密度始终不会变化，所以混合气体的密度不再变化不能说明达到了平衡状态，故B错误；
C．CH₃OH与H₂O的浓度之比为1：2，不能说明反应物的浓度保持不变，所以不能说明达到了平衡状态，故C错误；
D．单位时间内，消耗2mol CH₃OH表示正反应速率，同时消耗1molH₂O表示逆反应速率，而且正逆速率之比等于计量数之比，所以能说明反应达到平衡状态，故D正确；
故答案为：D．

点评 本题考查综合考查了化学平衡的有关知识，题目难度中等，注意“始、转、平”是解决有关化学平衡的“三段论”解题法，当三组量一旦确定，可以解答有关平衡的平衡常数计算、转化率、反应速率、平衡时成分的体积分数等的关键．