Question

【題目】煤炭氣化作為潔凈煤利用的核心技術(shù)，是影響煤化工系統(tǒng)效率、污染物及溫室氣體排放的關(guān)鍵。工業(yè)生產(chǎn)中主要的氣化方式包括純水氣化、CO2氣化和純氧氣化，反應(yīng)如下：

i.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH=+119kJ·mol-1

ii.C(s)+CO2(g)2CO(g) ΔH=+162kJ·mol-1

iii.C(s)+O2(g)CO(g) ΔH=-123kJ·mol-1

iv.C(s)+ O2(g)CO2(g) ΔH=-409kJ·mol-1

(1)均相水煤氣反應(yīng)CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)的ΔH__。

(2)圖1是不同氣化方式得到的合成氣成分，圖2是溫度對碳轉(zhuǎn)化率的影響(碳轉(zhuǎn)化率是指氣化得到氣體中的碳占入爐原料煤中碳的質(zhì)量分數(shù))。

①氣化過程中不同氧化劑的配比會對合成氣的成分造成很大影響，為了提高合成氣的氫碳比，生產(chǎn)中應(yīng)該適當提高__在氧化劑中的比例。

②若使用混合氧化劑進行氣化，最佳氣化溫度是___℃。溫度升高純氧氣化的碳轉(zhuǎn)化率降低，原因是___。

③工業(yè)上常在壓強200kPa的條件下進行氣化，壓強過高過低都不利于氣化的進行，可能的原因是__。

④T℃時，向容積可變的恒壓密閉容器中加入20g燃煤(含碳84%)和2molH2O(g)模擬純水氣化反應(yīng)，起始容積為2L。一段時間達到平衡后，測得容器內(nèi)H2為1mol。則該溫度下C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)的平衡常數(shù)K=__。

(3)煤的氣化中可以利用CO2捕集技術(shù)實現(xiàn)CO2的綜合利用。用石墨電極電解CO2制CH3CH2OH的原理示意圖如圖：

①b為電源的___(填“正”或“負”)極。

②生成CH3CH2OH的電極反應(yīng)式為___。

Answer 1

【答案】-43kJ·mol-1 水 900 純氧氣化涉及的反應(yīng)ⅲ、反應(yīng)ⅳ都是放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆移，碳轉(zhuǎn)化率降低 壓強高會使氣化反應(yīng)ⅰ、ⅱ、ⅲ的平衡逆向移動；壓強低反應(yīng)速率小，都不利于氣化的進行 mol·L-1 正 2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律進行計算；

(2)據(jù)圖可知，純水氣化時氫碳比最大，CO2氣化氫碳比最��；溫度升高純氧氣化中碳轉(zhuǎn)化率略微減小，而純水氣化和CO2氣化碳轉(zhuǎn)化率增大，溫度高于900℃后升高不明顯；

④恒壓容器中氣體的體積比等于氣體的物質(zhì)的量之比，據(jù)此先計算平衡時容器的體積，再根據(jù)K=計算平衡常數(shù)；

(3)該裝置目的是用石墨電極電解CO2制CH3CH2OH，C元素化合價降低被還原，所以通入二氧化碳的一極為電解池的陰極，則產(chǎn)生氧氣的一極為陽極。

(1)已知：i.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH=+119kJ·mol-1

ii.C(s)+CO2(g)2CO(g) ΔH=+162kJ·mol-1

根據(jù)蓋斯定律i-ii可得反應(yīng)CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)的ΔH=+119kJ·mol-1-(+162kJ·mol-1)=-43kJ·mol-1；

(2)①據(jù)圖可知純水氣化時氫碳比最大，所以為了提高合成氣氫碳比凱越適當提高水在氧化劑中的比例；

②據(jù)圖可知溫度升高，純氧氣化碳轉(zhuǎn)化率略微減小，而純水氣化和CO2氣化碳轉(zhuǎn)化率增大，溫度高于900℃后升高不明顯，所以為了提高碳轉(zhuǎn)化率，同時盡量降低能耗，提高反應(yīng)速率，最佳的氣化溫度應(yīng)為900℃；純氧氣化涉及的反應(yīng)ⅲ、反應(yīng)ⅳ都是放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆移，所以溫度升高碳轉(zhuǎn)化率降低；

③壓強高會使氣化反應(yīng)ⅰ、ⅱ、ⅲ的平衡逆向移動，壓強低反應(yīng)速率小，都不利于氣化的進行，所以壓強不能過高也不能過低；

④該反應(yīng)的平衡常數(shù)K的表達式為，平衡時容器內(nèi)n(H2)=1mol，根據(jù)反應(yīng)方程式可知該時段內(nèi)消耗n(H2O)=1mol，生成的n(CO)=1mol，剩余的n(H2O)=2mol-1mol=1mol，所以平衡時容器內(nèi)氣體總物質(zhì)的量為1mol+1mol+1mol=3mol，壓強不變，則體積比等于氣體的物質(zhì)的量之比，初始氣體的物質(zhì)的量為2mol，平衡時為3mol，容器初始體積為2L，所以平衡容器體積為3L，則平衡時容器內(nèi)c(H2O)= c(H2)=c(CO)=mol/L，K==mol·L-1；

(3)①根據(jù)分析產(chǎn)生氧氣的一極為電極池的陽極，陽極與外接電源的正極相連，所以b為電源的正極；

②二氧化碳被還原生成乙醇，電解質(zhì)溶液顯酸性，所以電極反應(yīng)式為2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O。