题目内容

【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+pH=l.9时开始沉淀,pH=3.2时沉淀完全。

30℃时,在T.F菌作用下,不同pHFeSO4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P1p2的大小关系:P1________P2(选填“>”“<”“=”)

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 CH41mol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CO2H2

Ⅳ.H2提纯:将CO2H2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:_____

【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:2H2O2e=H2OH-,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+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,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:1.51.9;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,1mol甲烷、1mol水蒸气生成1molCO3mol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1molCH41mol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:

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

故答案为:0.48

(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-

HCO3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:2H2O2e=H2OH-HCO3-+OH-═CO32-+H2O,使碳酸钾溶液得以再生;
故答案为:阴极反应:2H2O2e=H2OH-HCO3-+OH-═CO32-+H2O,使碳酸钾溶液得以再生。

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