Question

【题目】氢气作为清洁能源有着广泛的应用前景，含硫天然气制备氢气的流程如下。

请回答下列问题：

I．转化脱硫：将天然气压入吸收塔，30℃时，在T.F菌作用下，酸性环境中脱硫过程示意图如下。

(1)过程i的离子反应方程式为_______________________。

(2)已知：①Fe3+在pH=l.9时开始沉淀，pH=3.2时沉淀完全。

②30℃时，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

在转化脱硫中，请在上表中选择最佳pH范围是_______<pH<_______，这样选择的原因是：____。

Ⅱ．蒸气转化：在催化剂的作用下，水蒸气将CH4氧化。结合下图回答问题。

(3)①该过程的热化学方程式是___________。

②比较压强P1和p2的大小关系：P1________P2(选填“>”“<”或“=”)。

③在一定温度和一定压强下的体积可变的密闭容器中充入1mol CH4和1mol的水蒸气充分反应达平衡后，测得起始时混合气的密度是平衡时混合气密度的1.4倍，若此时容器的体积为2L，则该反应的平衡常数为______________(结果保留2位有效数字)。

Ⅲ．CO变换：500℃时，CO进一步与水反应生成CO2和H2。

Ⅳ．H2提纯：将CO2和H2分离得到H2的过程如示意图

(4)①吸收池中发生反应的离子方程式是______________。

②结合电极反应式，简述K2CO3溶液的再生原理：_____。

Answer 1

【答案】H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+ 1.5 1.9 此范围既保证了Fe2+有较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- 阴极反应：2H2O＋2e－=H2↑＋OH-，再发生HCO3-+OH-═CO32-+H2O，使K2CO32-再生

【解析】

（1）过程i为硫化氢与硫酸铁生成硫酸亚铁、S，结合电荷守恒书写可得；

（2）已知Fe3+在pH=1.9时开始沉淀，根据图pH<1.5时，TF菌活性较低，据此可得；

（3）①由图可知，反应为吸热反应，△H=2582kJ/mol-2378kJ/mol=+204kJ/mol，据此书写；

②根据压强对化学平衡的影响分析；

（4）由图可知，吸收池中二氧化碳与碳酸钾溶液的反应得到碳酸氢钾，据此书写。

I．(1)根据图可知过程i为硫化氢与硫酸铁生成硫酸亚铁、S,反应为：H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+；

故答案为：H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+；

(2)由信息可知,当pH>1.9时，Fe3+开始沉淀，导致Fe3+、Fe2+离子浓度均下降，降低反应速率，pH<1.5时，TF菌活性较低，反应速率慢，所以最佳范围为1.51.9，

故答案为：1.5；1.9；此范围既保证了Fe2+有较快的氧化速率又防止生成的Fe3+形成沉淀；

Ⅱ.(3)①由图可知，1mol甲烷、1mol水蒸气生成1molCO和3mol氢气吸收热量(25822378)kJ=204kJ,故热化学方程式为：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH=+204kJ/mol；

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

②该反应为气体分子数增大的反应，增大压强，平衡逆向移动，所以相同温度下，压强越大，甲烷的体积分数越大，故P1>P2；

故答案为：>；

③在一定温度和一定压强下的体积可变的密闭容器中充入1molCH4和1mol的水蒸气充分反应达平衡后，测得起始时混合气的密度是平衡时混合气密度的1.4倍，密度之比等于气体体积反比，等于气体物质的量的反比，若此时容器的体积为2L，设消耗甲烷物质的量x，据此计算：

=1.4，x=0.4mol，则平衡时各物质的浓度分别为：c(CH4)=c(H2O)=0.3mol/L，c(CO)=0.2mol/L，c(H2)=0.6mol/L，则该反应的平衡常数K==0.48，

故答案为：0.48；

Ⅳ(4) ①由图可知，吸收池中氢气并未反应，二氧化碳被吸收进入惰性电极电解池,即吸收池中为二氧化碳与碳酸钾溶液的反应，离子方程式为：CO32-+CO2+H2O=2HCO3-；

故答案为：CO32-+CO2+H2O=2HCO3-。

②HCO3存在电离平衡：HCO3H++CO32，阴极H+放电浓度减小平衡右移，CO32-再生，阴极反应：2H2O＋2e－=H2↑＋OH-，HCO3-+OH-═CO32-+H2O，使碳酸钾溶液得以再生；
故答案为：阴极反应：2H2O＋2e－=H2↑＋OH-，HCO3-+OH-═CO32-+H2O，使碳酸钾溶液得以再生。