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+的氧化速率/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，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)吸收池中發生反應的離子方程式是____________________________________。

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) △H=+204kJ/mol > 0.48 CO32-+CO2+H2O=2HCO3-

【解析】

(1)由圖可知，過程中H2S變成S，S元素化合價由-2價變成0價，Fe3+被還原變成Fe2+，根據電子守恒寫出離子反應方程式；

(2)由①可知Fe3+在pH=l.9時開始沉淀，會導致Fe3+濃度降低，則Fe2+ 和Fe3+濃度均會降低，速率降低，故pH應小于1.9。由②可知，pH在1.5的時候的氧化速率較快，故pH的取值范圍是1.5<pH<1.9。

(3)①由圖可知該反應為吸熱反應，△H=2582kJ/mol-2378kJ/mol=+204kJ/mol，該過程的熱化學方程式是CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+204kJ/mol；

②由圖可知，溫度一定，壓強也大，平衡逆向移動，則CH4的體積分數增大，則

P1 > P2。

③列出三行式，根據起始時混合氣的密度是平衡時混合氣密度的1.4倍，求出平衡時，CH4、H2O、CO、H2的濃度，再根據平衡常數K=計算。

(4)由圖示已知吸收池中用的是K2CO3溶液，吸收CO2，以此書寫離子方程式。

(1)由圖可知，過程中H2S變成S，S元素化合價由-2價變成0價，Fe3+被還原變成Fe2+，根據電子守恒，過程i的離子反應方程式為H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+；

因此，本題正確答案是：H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+；

(2)由①可知Fe3+在pH=l.9時開始沉淀，會導致Fe3+濃度降低，則Fe2+ 和Fe3+濃度均會降低，速率降低，故pH應小于1.9。由②可知，pH在1.5的時候的氧化速率較快，故pH的取值范圍是1.5<pH<1.9。

因此，本題正確答案是：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；

(3)①由圖可知該反應為吸熱反應，△H=2582kJ/mol-2378kJ/mol=+204kJ/mol，該過程的熱化學方程式是CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+204kJ/mol；

②由圖可知，溫度一定，壓強增大，平衡逆向移動，則CH4的體積分數增大，則

P1 > P2。

③列出三行式，設轉化的CH4的物質的量為x，

CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)

起始（mol） 1 1 0 0

變化（mol） x x x 3x

平衡（mol）1-x 1-x x 3x

根據起始時混合氣的密度是平衡時混合氣密度的1.4倍，氣體的總質量不變，密度與氣體的總物質的量成反比，則=1.4，解得x=0.4，

容器的容積為2L，則平衡時，CH4、H2O、CO、H2的濃度分別為：0.3mol/L、0.3mol/L、0.2mol/L、0.6mol/L，

則該反應的平衡常數為K===0.48。

因此，本題正確答案是：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+204kJ/mol；>；0.48；

(4)由圖示已知吸收池中用的是K2CO3溶液，吸收CO2，則離子方程式是CO32-+CO2+H2O=2HCO3-，

因此，本題正確答案是：CO32-+CO2+H2O=2HCO3-。