Question

【題目】氫氣作為清潔能源有著廣泛的應用前景，含硫天然氣制備氫氣的流程如下。

請回答下列問題：

I．轉化脫硫：將天然氣壓入吸收塔，30℃時，在T.F菌作用下，酸性環境中脫硫過程示意圖如下。

(1)過程i的離子反應方程式為_______________________。

(2)已知：①Fe3+在pH=l.9時開始沉淀，pH=3.2時沉淀完全。

②30℃時，在T.F菌作用下，不同pH的FeSO4溶液中Fe2+的氧化速率如下表。

pH	0.7	1.1	1.5	1.9	2.3	2.7
Fe2+的氧化速/g·L-1·h-1	4.5	5.3	6.2	6.8	7.0	6.6

在轉化脫硫中，請在上表中選擇最佳pH范圍是_______<pH<_______，這樣選擇的原因是：____。

Ⅱ．蒸氣轉化：在催化劑的作用下，水蒸氣將CH4氧化。結合下圖回答問題。

(3)①該過程的熱化學方程式是___________。

②比較壓強P1和p2的大小關系：P1________P2(選填“>”“<”或“=”)。

③在一定溫度和一定壓強下的體積可變的密閉容器中充入1mol CH4和1mol的水蒸氣充分反應達平衡后，測得起始時混合氣的密度是平衡時混合氣密度的1.4倍，若此時容器的體積為2L，則該反應的平衡常數為______________(結果保留2位有效數字)。

Ⅲ．CO變換：500℃時，CO進一步與水反應生成CO2和H2。

Ⅳ．H2提純：將CO2和H2分離得到H2的過程如示意圖

(4)①吸收池中發生反應的離子方程式是______________。

②結合電極反應式，簡述K2CO3溶液的再生原理：_____。

Answer 1

【答案】H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+ 1.5 1.9 此范圍既保證了Fe2+有較快的氧化速率又防止生成的Fe3+形成沉淀 CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH=+204kJ/mol > 0.48 CO32-+CO2+H2O=2HCO3- 陰極反應：2H2O＋2e－=H2↑＋OH-，再發生HCO3-+OH-═CO32-+H2O，使K2CO32-再生

【解析】

（1）過程i為硫化氫與硫酸鐵生成硫酸亞鐵、S，結合電荷守恒書寫可得；

（2）已知Fe3+在pH=1.9時開始沉淀，根據圖pH<1.5時，TF菌活性較低，據此可得；

（3）①由圖可知，反應為吸熱反應，△H=2582kJ/mol-2378kJ/mol=+204kJ/mol，據此書寫；

②根據壓強對化學平衡的影響分析；

（4）由圖可知，吸收池中二氧化碳與碳酸鉀溶液的反應得到碳酸氫鉀，據此書寫。

I．(1)根據圖可知過程i為硫化氫與硫酸鐵生成硫酸亞鐵、S,反應為：H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+；

故答案為：H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+；

(2)由信息可知,當pH>1.9時，Fe3+開始沉淀，導致Fe3+、Fe2+離子濃度均下降，降低反應速率，pH<1.5時，TF菌活性較低，反應速率慢，所以最佳范圍為1.51.9，

故答案為：1.5；1.9；此范圍既保證了Fe2+有較快的氧化速率又防止生成的Fe3+形成沉淀；

Ⅱ.(3)①由圖可知，1mol甲烷、1mol水蒸氣生成1molCO和3mol氫氣吸收熱量(25822378)kJ=204kJ,故熱化學方程式為：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH=+204kJ/mol；

故答案為：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH=+204kJ/mol；

②該反應為氣體分子數增大的反應，增大壓強，平衡逆向移動，所以相同溫度下，壓強越大，甲烷的體積分數越大，故P1>P2；

故答案為：>；

③在一定溫度和一定壓強下的體積可變的密閉容器中充入1molCH4和1mol的水蒸氣充分反應達平衡后，測得起始時混合氣的密度是平衡時混合氣密度的1.4倍，密度之比等于氣體體積反比，等于氣體物質的量的反比，若此時容器的體積為2L，設消耗甲烷物質的量x，據此計算：

=1.4，x=0.4mol，則平衡時各物質的濃度分別為：c(CH4)=c(H2O)=0.3mol/L，c(CO)=0.2mol/L，c(H2)=0.6mol/L，則該反應的平衡常數K==0.48，

故答案為：0.48；

Ⅳ(4) ①由圖可知，吸收池中氫氣并未反應，二氧化碳被吸收進入惰性電極電解池,即吸收池中為二氧化碳與碳酸鉀溶液的反應，離子方程式為：CO32-+CO2+H2O=2HCO3-；

故答案為：CO32-+CO2+H2O=2HCO3-。

②HCO3存在電離平衡：HCO3H++CO32，陰極H+放電濃度減小平衡右移，CO32-再生，陰極反應：2H2O＋2e－=H2↑＋OH-，HCO3-+OH-═CO32-+H2O，使碳酸鉀溶液得以再生；
故答案為：陰極反應：2H2O＋2e－=H2↑＋OH-，HCO3-+OH-═CO32-+H2O，使碳酸鉀溶液得以再生。