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+的氧化速率/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，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)吸收池中发生反应的离子方程式是____________________________________。

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

【解析】

(1)由图可知，过程中H2S变成S，S元素化合价由-2价变成0价，Fe3+被还原变成Fe2+，根据电子守恒写出离子反应方程式；

(2)由①可知Fe3+在pH=l.9时开始沉淀，会导致Fe3+浓度降低，则Fe2+ 和Fe3+浓度均会降低，速率降低，故pH应小于1.9。由②可知，pH在1.5的时候的氧化速率较快，故pH的取值范围是1.5<pH<1.9。

(3)①由图可知该反应为吸热反应，△H=2582kJ/mol-2378kJ/mol=+204kJ/mol，该过程的热化学方程式是CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+204kJ/mol；

②由图可知，温度一定，压强也大，平衡逆向移动，则CH4的体积分数增大，则

P1 > P2。

③列出三行式，根据起始时混合气的密度是平衡时混合气密度的1.4倍，求出平衡时，CH4、H2O、CO、H2的浓度，再根据平衡常数K=计算。

(4)由图示已知吸收池中用的是K2CO3溶液，吸收CO2，以此书写离子方程式。

(1)由图可知，过程中H2S变成S，S元素化合价由-2价变成0价，Fe3+被还原变成Fe2+，根据电子守恒，过程i的离子反应方程式为H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+；

因此，本题正确答案是：H2S+2Fe3+=2Fe2++S↓+2H+；

(2)由①可知Fe3+在pH=l.9时开始沉淀，会导致Fe3+浓度降低，则Fe2+ 和Fe3+浓度均会降低，速率降低，故pH应小于1.9。由②可知，pH在1.5的时候的氧化速率较快，故pH的取值范围是1.5<pH<1.9。

因此，本题正确答案是：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；

(3)①由图可知该反应为吸热反应，△H=2582kJ/mol-2378kJ/mol=+204kJ/mol，该过程的热化学方程式是CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+204kJ/mol；

②由图可知，温度一定，压强增大，平衡逆向移动，则CH4的体积分数增大，则

P1 > P2。

③列出三行式，设转化的CH4的物质的量为x，

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

起始（mol） 1 1 0 0

变化（mol） x x x 3x

平衡（mol）1-x 1-x x 3x

根据起始时混合气的密度是平衡时混合气密度的1.4倍，气体的总质量不变，密度与气体的总物质的量成反比，则=1.4，解得x=0.4，

容器的容积为2L，则平衡时，CH4、H2O、CO、H2的浓度分别为：0.3mol/L、0.3mol/L、0.2mol/L、0.6mol/L，

则该反应的平衡常数为K===0.48。

因此，本题正确答案是：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+204kJ/mol；>；0.48；

(4)由图示已知吸收池中用的是K2CO3溶液，吸收CO2，则离子方程式是CO32-+CO2+H2O=2HCO3-，

因此，本题正确答案是：CO32-+CO2+H2O=2HCO3-。