高中化學(xué)新教材同步選擇性必修第一冊 第2章 研究與實(shí)踐 了解汽車尾氣的治理（同步講義）

研究與實(shí)踐了解汽車尾氣的治理研究目的汽車等交通工具為出行、物流帶來了舒適和方便。然而，燃油車排放的尾氣中含有大量的有害物質(zhì)，會(huì)對人體健康和環(huán)境產(chǎn)生危害。通過本活動(dòng)，認(rèn)識(shí)反應(yīng)條件的選擇與優(yōu)化在治理汽車尾氣中的重要作用，增強(qiáng)自覺遵守法規(guī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的意識(shí)和責(zé)任。閱讀材料(1)認(rèn)識(shí)尾氣的成分及其危害。①以汽油的成分之一——辛烷(C8H18)為例，分析空氣燃油比、溫度等因素對燃燒及其尾氣排放的影響。影響汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的最主要因素是混合氣的空燃比，理論上一公斤燃料完全燃燒時(shí)需要14.7公斤的空氣。這種空氣和燃料的比例稱為化學(xué)當(dāng)量比?？杖急刃∮诨瘜W(xué)當(dāng)量比時(shí)供給濃混合氣，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率大，但燃燒不完全，生成的CO、HC(碳?xì)浠衔?多；當(dāng)混合氣略大于化學(xué)當(dāng)量比時(shí)，燃燒效率最高，燃油消耗量低，但生成的NOx也最多。發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度應(yīng)保持在80～90℃范圍內(nèi)，溫度過高過低均會(huì)對汽油機(jī)的燃燒過程產(chǎn)生不利影響。進(jìn)氣溫度高，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際進(jìn)氣量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性下降，有害排放增加；發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過低時(shí)，傳熱溫度加大，熱損失將增多，耗油率增加。此外，還容易使燃燒中的酸根和水蒸氣結(jié)合成酸類物質(zhì)，使氣缸腐蝕磨損增加，汽油霧化蒸發(fā)不良，進(jìn)而使燃燒形成的積炭和排放污染增加。②查閱資料，了解汽車尾氣中有害物質(zhì)的成因及危害。汽車尾氣最主要的危害是形成光化學(xué)煙霧。汽車尾氣中的碳?xì)浠衔锖偷趸衔镌陉柟庾饔孟掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成臭氧，它和大氣中的其他成分結(jié)合就形成光化學(xué)煙霧。其對健康的危害主要表現(xiàn)為刺激眼睛，引起紅眼??；刺激鼻、咽喉、氣管和肺部，引起慢性呼吸系統(tǒng)疾病。汽車尾氣中一氧化碳的含量最高，它是燃油不能充分燃燒產(chǎn)生的。它可經(jīng)呼吸道進(jìn)入肺泡，被血液吸收，與血紅蛋白相結(jié)合，降低血液的載氧能力，削弱血液對人體組織的供氧量，導(dǎo)致組織缺氧，從而引起頭痛等癥狀，重者窒息死亡。汽車尾氣中的氮氧化合物主要是由于空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠跉飧桌锏母邷馗邏旱臈l件下生成的，它雖然含量較少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3倍。氮氧化合物進(jìn)入肺泡后，能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產(chǎn)生劇烈的刺激作用，增加肺毛細(xì)管的通透性，最后造成肺氣腫。亞硝酸鹽則與血紅蛋白結(jié)合，形成高鐵血紅蛋白，引起組織缺氧。(2)通過多種途徑了解尾氣的治理。①了解我國汽車尾氣的排放標(biāo)準(zhǔn)和治理現(xiàn)狀。2016年12月23日，環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)檢總局發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，自2020年7月1日起實(shí)施。國六b將會(huì)在2023年7月1日實(shí)施。“國六”與“國五”排放物限值差異排放物國五(汽油車)國六a國六b一氧化碳CO1000(mg·km－1)700(mg·km－1)500(mg·km－1)碳?xì)浠衔颰HC100(mg·km－1)100(mg·km－1)50(mg·km－1)非甲烷總烴NMHC68(mg·km－1)68(mg·km－1)35(mg·km－1)氮氧化物NOx60(mg·km－1)60(mg·km－1)35(mg·km－1)PM顆粒4.5(mg·km－1)4.5(mg·km－1)3(mg·km－1)治理現(xiàn)狀：汽車尾氣污染的防治從三個(gè)方面入手：一是改進(jìn)控制技術(shù)，主要是提高燃油的燃燒率，安裝防污染處理設(shè)備和開發(fā)新型汽車；二是運(yùn)用行政管理手段，嚴(yán)格汽車排放標(biāo)準(zhǔn)，采取報(bào)廢更新，及時(shí)淘汰舊車；三是提高車輛的使用技巧，通過合理使用車輛，減少有害物質(zhì)的排放。②了解汽車尾氣三元催化轉(zhuǎn)化中涉及的化學(xué)原理。三元催化轉(zhuǎn)換器由一個(gè)金屬外殼，一個(gè)網(wǎng)底架和一個(gè)催化層(含有鉑、銠等貴重金屬)組成，可除去HC(碳?xì)浠衔?、CO(一氧化碳)和NOx(氮氧化合物)三種主要污染物質(zhì)的90%(所謂三元是指除去這三種化合物時(shí)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng))。當(dāng)廢氣經(jīng)過凈化器時(shí)，鉑催化劑就會(huì)促使HC與CO氧化生成水蒸氣和二氧化碳；銠催化劑會(huì)促使NOx還原為氮?dú)夂脱鯕?。這些氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)只有在溫度達(dá)到250℃時(shí)才開始進(jìn)行。③了解選擇性催化還原(SCR)技術(shù)在柴油車尾氣治理中的應(yīng)用。選擇性催化還原技術(shù)(SCR)是針對柴油車尾氣排放中NOx的一項(xiàng)處理工藝，即在催化劑的作用下，噴入還原劑氨或尿素，把尾氣中的NOx還原成N2和H2O。該技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)尾氣后處理，從而達(dá)到既節(jié)能又減排的目的。結(jié)果與討論通過調(diào)查和分析，你得到什么啟示？通過調(diào)查和分析，了解到汽車尾氣的成分和危害，還有我國面臨的嚴(yán)峻形勢以及國家在治理方面所采取的措施，了解了化學(xué)在治理汽車尾氣新技術(shù)中所起到的巨大作用，體會(huì)到化學(xué)獨(dú)特的魅力，更有了學(xué)好化學(xué)的動(dòng)力。1．SCR和NSR技術(shù)可有效降低柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在空氣過量條件下NOx的排放。SCR(選擇性催化還原)工作原理：(1)尿素[CO(NH2)2]水溶液熱分解為NH3和CO2，該反應(yīng)的化學(xué)方程式：________________________________________________________________________。(2)反應(yīng)器中NH3還原NO2的化學(xué)方程式：___________________________________。(3)當(dāng)燃油中含硫量較高時(shí)，尾氣中SO2在O2作用下會(huì)形成(NH4)2SO4，使催化劑中毒。用化學(xué)方程式表示(NH4)2SO4的形成：___________________________________________________。答案(1)CO(NH2)2＋H2Oeq\o(=,\s\up7(△))2NH3↑＋CO2↑(2)8NH3＋6NO2eq\o(=,\s\up7(催化劑))7N2＋12H2O(3)2H2O＋4NH3＋O2＋2SO2=2(NH4)2SO4解析(1)尿素水溶液熱分解為NH3和CO2，根據(jù)原子守恒，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為CO(NH2)2＋H2Oeq\o(=,\s\up7(△))2NH3↑＋CO2↑。(2)NH3在催化作用下還原NO2生成氮?dú)夂退?，根?jù)電子守恒和原子守恒可得此反應(yīng)的化學(xué)方程式為8NH3＋6NO2eq\o(=,\s\up7(催化劑))7N2＋12H2O。(3)SO2在O2的作用下會(huì)與氨氣和水發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸銨，在此反應(yīng)中，SO2是還原劑，O2是氧化劑，根據(jù)電子守恒和原子守恒定律，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2H2O＋4NH3＋O2＋2SO2=2(NH4)2SO4。2．(1)汽車尾氣是造成空氣污染產(chǎn)生霧霾的原因之一。其中涉及的反應(yīng)2NO(g)＋O22NO2(g)在其他條件不變達(dá)平衡時(shí)，分別測得NO的平衡轉(zhuǎn)化率在不同壓強(qiáng)(p1、p2)和溫度下變化的曲線(如圖)。①比較p1、p2的大小關(guān)系：________________________________________________________。②當(dāng)溫度升高時(shí)，該反應(yīng)平衡常數(shù)變化的趨勢是________________。(2)研究氮氧化物與懸浮在大氣中海鹽粒子的相互作用時(shí)，涉及如下反應(yīng)：2NO2(g)＋NaCl(s)NaNO3(s)＋ClNO(g)K1ΔH＜0(Ⅰ)2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g)K2ΔH＜0(Ⅱ)①4NO2(g)＋2NaCl(s)2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)的平衡常數(shù)K＝_______(用K1、K2表示)。②為研究不同條件對反應(yīng)(Ⅱ)的影響，在恒溫條件下，向2L恒容密閉容器中加入0.2molNO和0.1molCl2，則平衡后n(Cl2)＝______mol，NO的轉(zhuǎn)化率α1＝________。其他條件保持不變，反應(yīng)(Ⅱ)在恒壓條件下進(jìn)行，平衡時(shí)NO的轉(zhuǎn)化率α2___________(填“＞”“＜”或“＝”)α1，平衡常數(shù)K2_______________(填“增大”“減小”或“不變”)。若要使K2減小，可采用的措施是________________________________________________________________________。答案(1)①p1＜p2②減小(2)①eq\f(K\o\al(2,1),K2)②2.5×10－275%＞不變升高溫度3．(1)汽車尾氣是霧霾形成的原因之一。研究氮氧化物的處理方法可有效減少霧霾的形成，可采用氧化還原法脫硝：4NO(g)＋4NH3(g)＋O2(g)eq\o(,\s\up7(催化劑))4N2(g)＋6H2O(g)ΔH＜0根據(jù)圖示判斷提高脫硝效率的最佳條件是____________________________________；氨氮物質(zhì)的量之比一定時(shí)，在400℃時(shí)，脫硝效率最大，其可能的原因是________________________________________________________________________。(2)用活性炭還原法也可以處理氮氧化物，某研究小組向某密閉容器加入一定量的活性炭和NO，發(fā)生反應(yīng)：C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)ΔH＞0在T1℃時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行到不同時(shí)間測得各物質(zhì)的物質(zhì)的量濃度如下：時(shí)間/min濃度/mol·L－101020304050NO1.00.580.400.400.480.48N200.210.300.300.360.36CO200.210.300.300.360.36①根據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析T1℃時(shí)，該反應(yīng)在0～20min的平均反應(yīng)速率v(CO2)＝________；計(jì)算該反應(yīng)的平衡常數(shù)K＝________。②30min后，只改變某一條件，根據(jù)上表的數(shù)據(jù)判斷改變的條件可能是________。A．通入一定量的CO2 B．加入合適的催化劑C．適當(dāng)縮小容器的體積 D．通入一定量的NOE．加入一定量的活性炭 F．適當(dāng)升高溫度③若30min后升高溫度至T2℃，達(dá)到平衡時(shí)，容器中NO、N2、CO2的濃度之比為5∶3∶3，則達(dá)到新平衡時(shí)NO的轉(zhuǎn)化率________(填“升高”或“降低”)，ΔH______0(填“＞”或“＜”)。答案(1)溫度400℃，氨氮物質(zhì)的量之比為1在400℃時(shí)催化劑的活性最好，催化效率高，同時(shí)400℃溫度較高，反應(yīng)速率快(2)①0.015mol·L－1·min－10.56(或eq\f(9,16))②CD③降低＜解析(1)根據(jù)圖示，提高脫硝效率的最佳條件為400℃，氨氮物質(zhì)的量之比為1；在400℃時(shí)催化劑的活性最好，催化效率高，同時(shí)400℃溫度較高，則反應(yīng)速率快。(2)①根據(jù)表格數(shù)據(jù)可知：在20min內(nèi)CO2的濃度增大0.30mol·L－1，則用CO2的濃度改變表示反應(yīng)速率是v(CO2)＝0.30mol·L－1÷20min＝0.015mol·L－1·min－1；反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，各種物質(zhì)的濃度分別是：c(NO)＝0.48mol·L－1；c(N2)＝c(CO2)＝0.36mol·L－1，所以在該溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)K＝eq\f(cN2·cCO2,c2NO)＝eq\f(0.36mol·L－1×0.36mol·L－1,0.48mol·L－12)＝eq\f(9,16)≈0.56。②適當(dāng)縮小容器的體積，則在這一瞬間，所有氣體的濃度都會(huì)增大，在達(dá)到新的平衡之后，每種氣體的濃度還是比原平衡時(shí)的大，故選C項(xiàng)；通入一定量的NO，平衡向右移動(dòng)，則N2、CO2的濃度都會(huì)增大，因?yàn)榧尤肓艘欢縉O，即使減小了，但還是比上一個(gè)平衡的濃度大，故選D項(xiàng)；通入一定量的CO2，平衡向左移動(dòng)，則N2的濃度會(huì)減小，不符合題意，故不選A項(xiàng)；催化劑不影響平衡移動(dòng)，故不選B項(xiàng)；活性炭是固體，不影響平衡移動(dòng)，故不選E項(xiàng)；ΔH＞0，升高溫度平衡右移，c(NO)減小，故不選F項(xiàng)。③在原平衡時(shí)，c(NO)∶c(N2)∶c(CO2)＝0.48∶0.36∶0.36＝4∶3∶3，若30min后升高溫度至T2℃，達(dá)到平衡時(shí)，容器中NO、N2、CO2的濃度之比為5∶3∶3，氮?dú)夂投趸紳舛戎仁冀K為1∶1，所以5∶3＞4∶3，說明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，根據(jù)平衡移動(dòng)原理：升高溫度，化學(xué)平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，說明逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，則正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，故ΔH＜0。4．(1)汽車尾氣中含有CO、NO2等有毒氣體，對汽車加裝尾氣凈化裝置，可使有毒氣體轉(zhuǎn)化為無毒氣體。4CO(g)＋2NO2(g)4CO2(g)＋N2(g)ΔH＝－1200kJ·mol－1對于該反應(yīng)，溫度不同(T2＞T1)、其他條件相同時(shí)，下列圖像正確的是________(填代號)。(2)以CO2與NH3為原料可合成化肥尿素[化學(xué)式為CO(NH2)2]。已知：①2NH3(g)＋CO2(g)=NH2CO2NH4(s)ΔH＝－159.5kJ·mol－1②NH2CO2NH4(s)=CO(NH2)2(s)＋H2O(g)ΔH＝＋116.5kJ·mol－1③H2O(l)=H2O(g)ΔH＝＋44.0kJ·mol－1寫出CO2與NH3合成尿素和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式：_______________________________。答案(1)乙(2)2NH3(g)＋CO2(g)=CO(NH2)2(s)＋H2O(l)ΔH＝－87.0kJ·mol－1解析(1)甲