Question

甲醇(CH₃OH)是一种重要的化工原料，可由H₂与CO或CO₂反应制备，主要用于制备羧基甲酯等。

(1)水杨酸甲酯是无色透明油状液体，密度为1.54g·cm^-3，常作为医药制剂的赋香剂。制备及提纯水杨酸甲酯的实验步骤如下：

步骤1.在三口烧瓶中加入3.5g(0.025mol)水杨酸、15mL(0.375mol)甲醇、1mL浓硫酸，几粒沸石，在85~95℃加热回流1.5h(装置如图所示)。

步骤2.向回收甲醇后剩余液中加入10mL水，振荡、静置，分液出有机相。

步骤3.有机相依次用水、10%Na₂CO₃溶液、水洗涤。

步骤4.干燥，蒸馏并收集221~224℃馏分。

①图中仪器W的名称是___。

②步骤3，第一次水洗的主要目的是___；第二次水洗的目的是___。

③合成水杨酸甲酯的化学方程式为___；实验中加入过量甲醇的目的是___。

(2)工业上制备甲醇的主要反应有：

(Ⅰ)CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)    ΔH₁       平衡常数K₁

(Ⅱ)CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)    ΔH₂       平衡常数K₂

(Ⅲ)CO₂(g)+H₂(g)CO(g)+H₂O(g)    ΔH₃       平衡常数K₃

维持=75：25，CO、CO₂以及n(CO₂)：n(CO)=1：2，用不同催化剂时甲醇的产率随温度的变化如图所示：

①平衡常数K₃=___(用K₁、K₂表示)；△H₁___0(填“>"或“<”)。

②下列叙述正确的是___ (填标号)。

A.催化剂Cu/ZnO不能催化反应(I)

B.催化剂Cu/ZnO在温度低于480K时活性很低

C.图中a点所示条件下，延长反应时间能提高甲醇的产率

D.图中b点所示条件下，若增加H₂的浓度不能提高甲醇的产率

③400K时向某恒容密闭容器中充入CO和H₂，使c(CO)=0.10mol·L^-1，c(H₂)=0.20mol·L^-1，且只发生反应(II)；平衡时c(CH₃OH)=0.08mol·L^-1。该温度下反应(II)的平衡常数为___。

Answer

球形冷凝管 除去大部分的水杨酸和硫酸 除去Na2CO3、水杨酸钠等盐 +CH3OH+H2O 提高水杨酸的(平衡)转化率 ＜ BC 2.5×103

【解析】

(1) ①由装置的结构特点可知，W为球形冷凝管，故答案为：球形冷凝管；

②反应后的溶液要经过多次洗涤，在洗涤操作中，第一次水洗的主要目的是除去大部分催化剂硫酸和未反应完的水杨酸，10%Na2CO3溶液既可以除去未洗净的硫酸，也可以降低酯的溶解度，但第二步洗涤后生成的酯中混有Na2CO3，所以第二次水洗，主要目的是除去产品中残留的Na2CO3、水杨酸钠等盐，

故答案为：除去大部分的水杨酸和硫酸；除去Na2CO3、水杨酸钠等盐；

③水杨酸甲酯是由水杨酸和甲醇酯化反应得到，反应为：+CH3OH +H2O；实验中甲醇用量稍微过量可以提高水杨酸的(平衡)转化率，

故答案为：+CH3OH +H2O；提高水杨酸的(平衡)转化率；

(2) ①由盖斯定律可知(Ⅲ)= (I) -(II)，则K3=，由图像可得，随温度的升高，甲醇的产率逐渐减小，说明升温平衡逆向移动，逆向为吸热方向，则正向为放热反应，△H1<0，

故答案为：；<；

②A.由图像可知加催化剂Cu/ZnO后随温度的升高反应(I)中甲醇的产率增大，因此催化剂Cu/ZnO能催化反应(I)，故A错误；

B.由图可知催化剂Cu/ZnO在温度低于480K时对甲醇的产率几乎没有影响，说明温度低时其活性很低，故B正确；

C.图中a点所示条件下，反应未达到平衡状态，由图可知反应应向增大甲醇产率的方向进行，即反应向正向进行达到平衡状态，因此延长反应时间能提高甲醇的产率，故C正确；

D.图中b点所示条件下，若增加H2的浓度会使平衡正向移动，可以提高甲醇的产率，故D错误；

故答案为：BC；

③400K时向某恒容密闭容器中充入CO和H2，使c(CO)=0.10mol·L-1，c(H2)=0.20mol·L-1，平衡时c(CH3OH)=0.08mol·L-1列出三段式如下：

设CO的变化浓度为xmol/L

由已知得：x=0.08mol·L-1，则平衡时c(CO)=0.02mol·L-1，c(H2)=0.04mol·L-1，

该温度下反应(II)的平衡常数为K==2.5×103，

故答案为：2.5×103。