Question

【题目】开发新型高效的乙烷脱氢制乙烯过程对于石油化工至关重要。回答下列问题：

（1）不同Zn含量PtSn催化剂催化乙烷脱氢反应时，乙烷的转化效率随时间变化如下图所示。由图可知，催化活性最优的催化剂为____________。

（2）随着温度升高，乙烷脱氢反应容易造成催化剂表面积碳，影响催化剂的稳定性，脱氢时通常一起充入CO2，该工艺称为“乙烷二氧化碳氧化脱氢反应”，CO2发生的反应为： 、。则CO2的作用为____________、____________。

（3）实验室模拟“乙烷二氧化碳氧化脱氢反应”，℃时，将2.8mol与5.2mol CO2充入容积恒定为0.5L的恒温密闭容器中发生反应：，平衡时，。

①a=______。

②T℃时，该反应的平衡常数K=______。

③若不考虑副反应，对于该反应体系，下列说法正确的是______（填标号）。

a.三种生成物平衡分压比值保持不变时，反应达到平衡状态

b.降低C2H6与CO2用料比，C2H6的平衡转化率升高

c.在容器中加入CaO，可与H2O反应，提高CH2=CH2产率

d.反应开始后的一段时间内，适当缩小容器体积可提高单位时间内C2H6的转化率

（4）中国科学院科研团队，利用固体氧化物电解池（Solid oxide electrolysis cell，SOEC），在SOEC阳极实现了高选择性乙烷电化学脱氢制乙烯。装置示意图如下。

①b为电源的______极。

②阳极电极反应为__________________。

Answer 1

【答案】PtSn/Mg(2-Zn)AlO 消耗H2促进乙烷脱氢反应正向进行 消除催化剂表面积碳，提高催化剂的稳定性 +178.1 6.25 mol/L bd 负

【解析】

（1）由图象看出最高的那条线是催化活性最优的，即PtSn/Mg（2-Zn）AlO催化剂的催化反应活性最优；

（2）根据CO2发生的反应，结合题干信息思考；

（3）用盖斯定律计算出目标方程式的反应热，再利用三段式法计算平衡常数；

（4）二氧化碳通过电解转变为一氧化碳，碳元素化合价降低，得电子，被还原，则与b相连的电极为阴极，与a相连的电极为阳极，与阴极相连的为电源负极，则a为电源正极，b为电源负极。

（1）由图象看出最高的那条线是催化活性最优的，即PtSn/Mg(2-Zn)AlO催化剂的催化反应活性最优，故答案为：PtSn/Mg(2-Zn)AlO；

（2）根据CO2发生的反应分析，，消耗了H2，有利于乙烷的脱氢反应向右进行；，能消除积碳，提高催化剂的稳定性，故答案为：消耗H2促进乙烷脱氢反应正向进行；消除催化剂表面积碳，提高催化剂的稳定性；

（3）①由盖斯定律，根据已知的方程式：

① ；

② ；

根据盖斯定律，将①+②得到H=+136.9kJ/mol+41.2kJ/mol=+178.1 kJ/mol，故答案为：+178.1；

②设转化C2H6物质的量为xmol，根据题目数据，列式如下：

起始（mol）2.8 5.2 0 0 0

转化（mol）x x x x x

平衡（mol）2.8-x 5.2-x x x x

又因为是恒容容器，压强之比等于物质的量之比，，有，解得x=2，又容器体积为0.5L，故平衡时各组分的浓度为：c(C2H6)=，c(CO2)=，c(CH2=CH2)= c(CO)=c(H2O)=，该反应的平衡常数K===6.25mol/L，故答案为：6.25mol/L；

③a．由方程式看出，三种生成物的化学计量数均为１，三种生成物平衡分压比值始终保持不变，三种生成物平衡分压比值保持不变时，不能说明反应达到平衡状态，故a错误；

b．降低C2H6与CO2用料比，相当于增大CO2的量，可以使C2H6的平衡转化率升高，故b正确；

c．在容器中加入CaO，CO2先与CaO反应，平衡逆向移动会降低CH2=CH2产率，故c错误；

d．适当缩小容器体积，压强增大，反应速率加快，可提高单位时间内C2H6的转化率，故d正确。

故答案为：bd；

（4）①根据分析可知，b为电源的负极，故答案为：负；

②阳极发生氧化反应，乙烷失电子变成乙烯，固体电解质可以传导O2-，电极反应式为：，故答案为：。