Question

【題目】開發(fā)新型高效的乙烷脫氫制乙烯過程對于石油化工至關重要。回答下列問題：

（1）不同Zn含量PtSn催化劑催化乙烷脫氫反應時，乙烷的轉(zhuǎn)化效率隨時間變化如下圖所示。由圖可知，催化活性最優(yōu)的催化劑為____________。

（2）隨著溫度升高，乙烷脫氫反應容易造成催化劑表面積碳，影響催化劑的穩(wěn)定性，脫氫時通常一起充入CO2，該工藝稱為“乙烷二氧化碳氧化脫氫反應”，CO2發(fā)生的反應為： 、。則CO2的作用為____________、____________。

（3）實驗室模擬“乙烷二氧化碳氧化脫氫反應”，℃時，將2.8mol與5.2mol CO2充入容積恒定為0.5L的恒溫密閉容器中發(fā)生反應：，平衡時，。

①a=______。

②T℃時，該反應的平衡常數(shù)K=______。

③若不考慮副反應，對于該反應體系，下列說法正確的是______（填標號）。

a.三種生成物平衡分壓比值保持不變時，反應達到平衡狀態(tài)

b.降低C2H6與CO2用料比，C2H6的平衡轉(zhuǎn)化率升高

c.在容器中加入CaO，可與H2O反應，提高CH2=CH2產(chǎn)率

d.反應開始后的一段時間內(nèi)，適當縮小容器體積可提高單位時間內(nèi)C2H6的轉(zhuǎn)化率

（4）中國科學院科研團隊，利用固體氧化物電解池（Solid oxide electrolysis cell，SOEC），在SOEC陽極實現(xiàn)了高選擇性乙烷電化學脫氫制乙烯。裝置示意圖如下。

①b為電源的______極。

②陽極電極反應為__________________。

Answer 1

【答案】PtSn/Mg(2-Zn)AlO 消耗H2促進乙烷脫氫反應正向進行 消除催化劑表面積碳，提高催化劑的穩(wěn)定性 +178.1 6.25 mol/L bd 負

【解析】

（1）由圖象看出最高的那條線是催化活性最優(yōu)的，即PtSn/Mg（2-Zn）AlO催化劑的催化反應活性最優(yōu)；

（2）根據(jù)CO2發(fā)生的反應，結(jié)合題干信息思考；

（3）用蓋斯定律計算出目標方程式的反應熱，再利用三段式法計算平衡常數(shù)；

（4）二氧化碳通過電解轉(zhuǎn)變?yōu)橐谎趸�碳，碳元素化合價降低，得電子，被還原，則與b相連的電極為陰極，與a相連的電極為陽極，與陰極相連的為電源負極，則a為電源正極，b為電源負極。

（1）由圖象看出最高的那條線是催化活性最優(yōu)的，即PtSn/Mg(2-Zn)AlO催化劑的催化反應活性最優(yōu)，故答案為：PtSn/Mg(2-Zn)AlO；

（2）根據(jù)CO2發(fā)生的反應分析，，消耗了H2，有利于乙烷的脫氫反應向右進行；，能消除積碳，提高催化劑的穩(wěn)定性，故答案為：消耗H2促進乙烷脫氫反應正向進行；消除催化劑表面積碳，提高催化劑的穩(wěn)定性；

（3）①由蓋斯定律，根據(jù)已知的方程式：

① ；

② ；

根據(jù)蓋斯定律，將①+②得到H=+136.9kJ/mol+41.2kJ/mol=+178.1 kJ/mol，故答案為：+178.1；

②設轉(zhuǎn)化C2H6物質(zhì)的量為xmol，根據(jù)題目數(shù)據(jù)，列式如下：

起始（mol）2.8 5.2 0 0 0

轉(zhuǎn)化（mol）x x x x x

平衡（mol）2.8-x 5.2-x x x x

又因為是恒容容器，壓強之比等于物質(zhì)的量之比，，有，解得x=2，又容器體積為0.5L，故平衡時各組分的濃度為：c(C2H6)=，c(CO2)=，c(CH2=CH2)= c(CO)=c(H2O)=，該反應的平衡常數(shù)K===6.25mol/L，故答案為：6.25mol/L；

③a．由方程式看出，三種生成物的化學計量數(shù)均為１，三種生成物平衡分壓比值始終保持不變，三種生成物平衡分壓比值保持不變時，不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故a錯誤；

b．降低C2H6與CO2用料比，相當于增大CO2的量，可以使C2H6的平衡轉(zhuǎn)化率升高，故b正確；

c．在容器中加入CaO，CO2先與CaO反應，平衡逆向移動會降低CH2=CH2產(chǎn)率，故c錯誤；

d．適當縮小容器體積，壓強增大，反應速率加快，可提高單位時間內(nèi)C2H6的轉(zhuǎn)化率，故d正確。

故答案為：bd；

（4）①根據(jù)分析可知，b為電源的負極，故答案為：負；

②陽極發(fā)生氧化反應，乙烷失電子變成乙烯，固體電解質(zhì)可以傳導O2-，電極反應式為：，故答案為：。