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+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____________________________________。
【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-。
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