Question

煤炭气化作为洁净煤利用的核心技术，是影响煤化工系统效率、污染物及温室气体排放的关键。工业生产中主要的气化方式包括纯水气化、CO₂气化和纯氧气化，反应如下：

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)均相水煤气反应CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)的ΔH__。

(2)图1是不同气化方式得到的合成气成分，图2是温度对碳转化率的影响(碳转化率是指气化得到气体中的碳占入炉原料煤中碳的质量分数)。

①气化过程中不同氧化剂的配比会对合成气的成分造成很大影响，为了提高合成气的氢碳比，生产中应该适当提高__在氧化剂中的比例。

②若使用混合氧化剂进行气化，最佳气化温度是___℃。温度升高纯氧气化的碳转化率降低，原因是___。

③工业上常在压强200kPa的条件下进行气化，压强过高过低都不利于气化的进行，可能的原因是__。

④T℃时，向容积可变的恒压密闭容器中加入20g燃煤(含碳84%)和2molH₂O(g)模拟纯水气化反应，起始容积为2L。一段时间达到平衡后，测得容器内H₂为1mol。则该温度下C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g)的平衡常数K=__。

(3)煤的气化中可以利用CO₂捕集技术实现CO₂的综合利用。用石墨电极电解CO₂制CH₃CH₂OH的原理示意图如图：

①b为电源的___(填“正”或“负”)极。

②生成CH₃CH₂OH的电极反应式为___。

Answer

-43kJ·mol-1 水 900 纯氧气化涉及的反应ⅲ、反应ⅳ都是放热反应，温度升高，平衡逆移，碳转化率降低 压强高会使气化反应ⅰ、ⅱ、ⅲ的平衡逆向移动；压强低反应速率小，都不利于气化的进行 mol·L-1 正 2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O

【解析】

(1)根据盖斯定律进行计算；

(2)据图可知，纯水气化时氢碳比最大，CO2气化氢碳比最小；温度升高纯氧气化中碳转化率略微减小，而纯水气化和CO2气化碳转化率增大，温度高于900℃后升高不明显；

④恒压容器中气体的体积比等于气体的物质的量之比，据此先计算平衡时容器的体积，再根据K=计算平衡常数；

(3)该装置目的是用石墨电极电解CO2制CH3CH2OH，C元素化合价降低被还原，所以通入二氧化碳的一极为电解池的阴极，则产生氧气的一极为阳极。

(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

根据盖斯定律i-ii可得反应CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g)的ΔH=+119kJ·mol-1-(+162kJ·mol-1)=-43kJ·mol-1；

(2)①据图可知纯水气化时氢碳比最大，所以为了提高合成气氢碳比凯越适当提高水在氧化剂中的比例；

②据图可知温度升高，纯氧气化碳转化率略微减小，而纯水气化和CO2气化碳转化率增大，温度高于900℃后升高不明显，所以为了提高碳转化率，同时尽量降低能耗，提高反应速率，最佳的气化温度应为900℃；纯氧气化涉及的反应ⅲ、反应ⅳ都是放热反应，温度升高，平衡逆移，所以温度升高碳转化率降低；

③压强高会使气化反应ⅰ、ⅱ、ⅲ的平衡逆向移动，压强低反应速率小，都不利于气化的进行，所以压强不能过高也不能过低；

④该反应的平衡常数K的表达式为，平衡时容器内n(H2)=1mol，根据反应方程式可知该时段内消耗n(H2O)=1mol，生成的n(CO)=1mol，剩余的n(H2O)=2mol-1mol=1mol，所以平衡时容器内气体总物质的量为1mol+1mol+1mol=3mol，压强不变，则体积比等于气体的物质的量之比，初始气体的物质的量为2mol，平衡时为3mol，容器初始体积为2L，所以平衡容器体积为3L，则平衡时容器内c(H2O)= c(H2)=c(CO)=mol/L，K==mol·L-1；

(3)①根据分析产生氧气的一极为电极池的阳极，阳极与外接电源的正极相连，所以b为电源的正极；

②二氧化碳被还原生成乙醇，电解质溶液显酸性，所以电极反应式为2CO2+12H++12e-=CH3CH2OH+3H2O。