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圖所示。

（1）過程i中H2S發生了___（填“氧化”或“還原”）反應。

（2）過程ii的離子方程式是___。

（3）已知：①Fe3+在pH＝1.9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	0.9	1.2	1.5	1.8	2.1	2.4	2.7	3.0
Fe2+氧化速率/（g·L－1·h－1）	4.5	5.3	6.2	6.8	7.0	6.6	6.2	5.6

請結合以上信息，判斷工業脫硫應選擇的最佳pH范圍，并說明原因：___。

II.蒸氣轉化：在催化劑的作用下，水蒸氣將CH4氧化。結合如圖回答問題。

（4）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“＝”）。

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的過程示意圖如圖。

（5）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】氧化 4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O 1.5≤pH<1.9，當pH大于1.9時，Fe3+開始沉淀，導致Fe2+和Fe3+濃度均下降，會降低反應速率。pH小于1.5時，T.F菌活性較低，反應速率減慢 CH4（g）+H2O（g）＝CO（g）+3H2（g） △H＝+204kJmol－1 ＞ CO2+H2O+CO32－＝2HCO3－ 陰極反應：2H2O+2e＝H2↑+2OH－，OH－+HCO3－＝CO32－+H2O；陽極反應：4H2O－4e＝O2↑+4H+，H++HCO3－＝CO2+H2O，陽極區多余的K+經陽離子交換膜進入陰極區，使K2CO3溶液得以再生

【解析】

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圖2；

(1)硫化氫被硫酸鐵氧化生成單質硫；

(2)過程Ⅱ是亞鐵離子酸性條件下被氧氣氧化生成鐵離子；

(3)1.5≤PH＜1.9，當PH大于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；

Ⅱ．(4)①在催化劑的作用下，水蒸氣將CH4氧化生成一氧化碳和水蒸氣，圖中反應的焓變△H=2582kJ/mol-2378kJ/mol=204kJ/mol，標注物質聚集狀態和對應反應的焓變寫出熱化學方程式；

②圖象中甲烷體積分數隨壓強增大而增大，據此分析；

Ⅳ．(5)①二氧化碳和碳酸鉀溶液反應生成碳酸氫鉀；

②碳酸氫根離子存在電離平衡、氫氧根離子和碳酸氫根離子反應生成碳酸根離子。

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圖2；

(1)硫化氫被硫酸鐵氧化生成單質硫，過程i中H2S發生了氧化反應；

(2)過程Ⅱ是亞鐵離子酸性條件下被氧氣氧化生成鐵離子，反應的離子方程式為：4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O；

(3)Fe3+在pH=l.9時開始沉淀，pH=3.2時沉淀完全，分析30℃時，在T．F菌作用下，不同pH的FeSO4溶液中Fe2+的氧化速率可知：工業脫硫應選擇的最佳pH范圍1.5≤PH＜1.9，當PH大于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，反應速率減慢；

Ⅱ．(4)①在催化劑的作用下，水蒸氣將CH4氧化生成一氧化碳和水蒸氣，圖中反應的焓變△H=2582kJ/mol-2378kJ/mol=204kJ/mol，標注物質聚集狀態和對應反應的焓變寫出熱化學方程式為：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+204kJ/mol；

②反應后氣體物質的量增大，增大壓強平衡逆向進行，圖象中甲烷體積分數隨壓強增大而增大，據此分析，比較壓強P1和P2的大小關系：P1＞P2；

Ⅳ．(5)①將CO2和H2分離得到H2的過程示意圖分析得到：二氧化碳和碳酸鉀溶液反應生成碳酸氫鉀，反應的離子方程式為CO2+H2O+CO32-=2HCO3-；

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