資源簡介

研究與實踐課
第二章 化學反應速率與化學平衡
第12課時 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，會對人體健康和環境產生危害。通過本活動，認識反應條件的選擇與優化在治理汽車尾氣中的重要作用，增強自覺遵守法規、保護生態環境的意識和責任。
【學習活動】
研究任務
任務： (1)認識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。 影響汽油發動機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需要14.7公斤的空氣。這種空氣和燃料的比例稱為化學當量比。空燃比小于化學當量比時供給濃混合氣，此時發動機發出的功率大，但燃燒不完全，生成的CO、HC(碳氫化合物)多；當混合氣略大于化學當量比時，燃燒效率最高，燃油消耗量低，但生成的NOx也最多。 發動機的工作溫度應保持在80℃～90 ℃范圍內，溫度過高、過低均會對汽油機的燃燒過程產生不利影響。進氣溫度高，使發動機實際進氣量減少，發動機的動力性下降，有害排放增加；發動機溫度過低時，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合成酸類物質，使氣缸腐蝕磨損增加，汽油霧化蒸發不良，進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的成因及危害。 汽車尾氣最主要的危害是形成光化學煙霧。汽車尾氣中的碳氫化合物和氮氧化合物在陽光作用下發生化學反應，生成臭氧，它和大氣中的其他成分結合就形成光化學煙霧。其對健康的危害主要表現為刺激眼睛，引起紅眼病；刺激鼻、咽喉、氣管和肺部，引起慢性呼吸系統疾病。 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生的。它可經呼吸道進入肺泡，被血液吸收，與血紅蛋白相結合，降低血液的載氧能力，削弱血液對人體組織的供氧量，導致組織缺氧，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氣和氧氣在氣缸里的高溫高壓的條件下生成的，它雖然含量較少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3倍。氮氧化合物進入肺泡后，能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產生劇烈的刺激作用，增加肺毛細管的通透性，最后造成肺氣腫。亞硝酸鹽則與血紅蛋白結合，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準和治理現狀。 2016年12月23日，環境保護部、國家質檢總局發布《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日起實施。國六b將會在2023年7月1日實施。 “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CO1 000(mg·km－1) 700(mg·km－1)500(mg·km－1)碳氫化合物THC100(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)
治理現狀：汽車尾氣污染的防治從三個方面入手：一是改進控制技術，主要是提高燃油的燃燒率，安裝防污染處理設備和開發新型汽車；二是運用行政管理手段，嚴格汽車排放標準，采取報廢更新，及時淘汰舊車；三是提高車輛的使用技巧，通過合理使用車輛，減少有害物質的排放。 ②了解汽車尾氣三元催化轉化中涉及的化學原理。 三元催化轉換器由一個金屬外殼，一個網底架和一個催化層(含有鉑、銠等貴重金屬)組成，可除去HC(碳氫化合物)、CO(一氧化碳)和NOx(氮氧化合物)三種主要污染物質的90%(所謂三元是指除去這三種化合物時所發生的化學反應)。當廢氣經過凈化器時，鉑催化劑就會促使HC與CO氧化生成水蒸氣和二氧化碳；銠催化劑會促使NOx還原為氮氣和氧氣。這些氧化反應和還原反應只有在溫度達到250 ℃時才開始進行。 ③了解選擇性催化還原(SCR) 技術在柴油車尾氣治理中的應用。 選擇性催化還原技術(SCR)是針對柴油車尾氣排放中NOx的一項處理工藝，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。該技術也被廣泛應用于柴油機尾氣后處理，從而達到既節能又減排的目的。 【結果與討論】 通過調查和分析，你得到什么啟示？ 【針對訓練1】SCR和NSR技術可有效降低柴油發動機在空氣過量條件下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，寫出該反應的化學方程式： ____________________________________________________________。 (2)反應器中NH3還原NO2的化學方程式為___________________________________。 (3)當燃油中含硫量較高時，尾氣中SO2在O2作用下會形成(NH4)2SO4，使催化劑中毒。用化學方程式表示(NH4)2SO4的形成：______________________________________。 【針對訓練2】(1)汽車尾氣是造成空氣污染產生霧霾的原因之一。其中涉及的反應2NO(g)＋O22NO2(g)在其他條件不變達平衡時，分別測得NO的平衡轉化率在不同壓強(p1、p2)和溫度下變化的曲線(如圖)。 ①比較p1、p2的大小關系：_______________________。 ②當溫度升高時，該反應平衡常數變化的趨勢是________________。 (2)研究氮氧化物與懸浮在大氣中海鹽粒子的相互作用時，涉及如下反應： 2NO2(g)＋NaCl(s)NaNO3(s)＋ClNO(g)　K1　ΔH＜0(Ⅰ) 2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g)　K2　ΔH＜0(Ⅱ) ①4NO2(g)＋2NaCl(s)2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)的平衡常數K＝_______(用K1、K2表示)。 ②為研究不同條件對反應(Ⅱ)的影響，在恒溫條件下，向2 L恒容密閉容器中加入0.2 mol NO和0.1 mol Cl2，10 min時反應(Ⅱ)達到平衡。測得10 min內v(ClNO)＝7.5×10－3 mol·L－1· min－1，則平衡后n(Cl2)＝______ mol，NO的轉化率α1＝________。其他條件保持不變，反應(Ⅱ)在恒壓條件下進行，平衡時NO的轉化率α2___________(填“＞”“＜”或“＝”)α1，平衡常數K2_______________(填“增大”“減小”或“不變”)。若要使K2減小，可采用的措施是___________________________________。 【針對訓練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)4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH＜0 根據圖示判斷提高脫硝效率的最佳條件是____________________________________；氨氮物質的量之比一定時，在400 ℃時，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，發生反應： C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)　ΔH＞0 在T1 ℃時，反應進行到不同時間測得各物質的物質的量濃度如下： 時間/min 濃度/mol·L－1　　　01020304050NO1.00.580.400.400.480.48N200.210.300.300.360.36CO200.210.300.300.360.36
①根據圖表數據分析T1 ℃時，該反應在0～20 min的平均反應速率v(CO2)＝________；計算該反應的平衡常數K＝________。 ②30 min后，只改變某一條件，根據上表的數據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．適當縮小容器的體積 D．通入一定量的NO E．加入一定量的活性炭 F．適當升高溫度 【針對訓練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，可使有毒氣體轉化為無毒氣體。 4CO(g)＋2NO2(g)4CO2(g)＋N2(g) 　ΔH＝－1 200 kJ·mol－1 對于該反應，溫度不同(T2＞T1)、其他條件相同時，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[化學式為CO(NH2)2]。已知： ①2NH3(g)＋CO2(g)===NH2CO2NH4(s)　ΔH＝－159.5 kJ·mol－1 ②NH2CO2NH4(s)===CO(NH2)2(s)＋H2O(g)　ΔH＝＋116.5 kJ·mol－1 ③H2O(l)===H2O(g)　ΔH＝＋44.0 kJ·mol－1 寫出CO2與NH3合成尿素和液態水的熱化學方程式：___________________________。
2研究與實踐課
第二章 化學反應速率與化學平衡
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，會對人體健康和環境產生危害。通過本活動，認識反應條件的選擇與優化在治理汽車尾氣中的重要作用，增強自覺遵守法規、保護生態環境的意識和責任。
【學習活動】
研究任務
任務： (1)認識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。 影響汽油發動機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需要14.7公斤的空氣。這種空氣和燃料的比例稱為化學當量比。空燃比小于化學當量比時供給濃混合氣，此時發動機發出的功率大，但燃燒不完全，生成的CO、HC(碳氫化合物)多；當混合氣略大于化學當量比時，燃燒效率最高，燃油消耗量低，但生成的NOx也最多。 發動機的工作溫度應保持在80℃～90 ℃范圍內，溫度過高、過低均會對汽油機的燃燒過程產生不利影響。進氣溫度高，使發動機實際進氣量減少，發動機的動力性下降，有害排放增加；發動機溫度過低時，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合成酸類物質，使氣缸腐蝕磨損增加，汽油霧化蒸發不良，進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的成因及危害。 汽車尾氣最主要的危害是形成光化學煙霧。汽車尾氣中的碳氫化合物和氮氧化合物在陽光作用下發生化學反應，生成臭氧，它和大氣中的其他成分結合就形成光化學煙霧。其對健康的危害主要表現為刺激眼睛，引起紅眼病；刺激鼻、咽喉、氣管和肺部，引起慢性呼吸系統疾病。 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生的。它可經呼吸道進入肺泡，被血液吸收，與血紅蛋白相結合，降低血液的載氧能力，削弱血液對人體組織的供氧量，導致組織缺氧，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氣和氧氣在氣缸里的高溫高壓的條件下生成的，它雖然含量較少，但毒性很大，其毒性是含硫氧化物的3倍。氮氧化合物進入肺泡后，能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產生劇烈的刺激作用，增加肺毛細管的通透性，最后造成肺氣腫。亞硝酸鹽則與血紅蛋白結合，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準和治理現狀。 2016年12月23日，環境保護部、國家質檢總局發布《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日起實施。國六b將會在2023年7月1日實施。 “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CO1 000(mg·km－1) 700(mg·km－1)500(mg·km－1)碳氫化合物THC100(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)
治理現狀：汽車尾氣污染的防治從三個方面入手：一是改進控制技術，主要是提高燃油的燃燒率，安裝防污染處理設備和開發新型汽車；二是運用行政管理手段，嚴格汽車排放標準，采取報廢更新，及時淘汰舊車；三是提高車輛的使用技巧，通過合理使用車輛，減少有害物質的排放。 ②了解汽車尾氣三元催化轉化中涉及的化學原理。 三元催化轉換器由一個金屬外殼，一個網底架和一個催化層(含有鉑、銠等貴重金屬)組成，可除去HC(碳氫化合物)、CO(一氧化碳)和NOx(氮氧化合物)三種主要污染物質的90%(所謂三元是指除去這三種化合物時所發生的化學反應)。當廢氣經過凈化器時，鉑催化劑就會促使HC與CO氧化生成水蒸氣和二氧化碳；銠催化劑會促使NOx還原為氮氣和氧氣。這些氧化反應和還原反應只有在溫度達到250 ℃時才開始進行。 ③了解選擇性催化還原(SCR) 技術在柴油車尾氣治理中的應用。 選擇性催化還原技術(SCR)是針對柴油車尾氣排放中NOx的一項處理工藝，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。該技術也被廣泛應用于柴油機尾氣后處理，從而達到既節能又減排的目的。 【結果與討論】 通過調查和分析，你得到什么啟示？ 參考答案：通過調查和分析，了解到汽車尾氣的成分和危害，還有我國面臨的嚴峻形勢以及國家在治理方面所采取的措施，了解了化學在治理汽車尾氣新技術中所起到的巨大作用，體會到化學獨特的魅力，更有了學好化學的動力。 【針對訓練1】SCR和NSR技術可有效降低柴油發動機在空氣過量條件下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，寫出該反應的化學方程式： ____________________________________________________________。 (2)反應器中NH3還原NO2的化學方程式為___________________________________。 (3)當燃油中含硫量較高時，尾氣中SO2在O2作用下會形成(NH4)2SO4，使催化劑中毒。用化學方程式表示(NH4)2SO4的形成：______________________________________。 參考答案：(1)CO(NH2)2＋H2O2NH3↑＋CO2↑ (2)8NH3＋6NO27N2＋12H2O (3)2H2O＋4NH3＋O2＋2SO2==2(NH4)2SO4 解析：(1)尿素水溶液熱分解為NH3和CO2，根據原子守恒，發生反應的化學方程式為CO(NH2)2＋H2O2NH3↑＋CO2↑。 (2)NH3在催化作用下還原NO2生成氮氣和水，根據電子守恒和原子守恒可得此反應的化學方程式為8NH3＋6NO27N2＋12H2O。 (3)SO2在O2的作用下會與氨氣和水發生反應，生成硫酸銨，在此反應中，SO2是還原劑，O2是氧化劑，根據電子守恒和原子守恒定律，反應的化學方程式為2H2O＋4NH3＋O2＋2SO2==2(NH4)2SO4。 【針對訓練2】(1)汽車尾氣是造成空氣污染產生霧霾的原因之一。其中涉及的反應2NO(g)＋O22NO2(g)在其他條件不變達平衡時，分別測得NO的平衡轉化率在不同壓強(p1、p2)和溫度下變化的曲線(如圖)。 ①比較p1、p2的大小關系：_______________________。 ②當溫度升高時，該反應平衡常數變化的趨勢是________________。 (2)研究氮氧化物與懸浮在大氣中海鹽粒子的相互作用時，涉及如下反應： 2NO2(g)＋NaCl(s)NaNO3(s)＋ClNO(g)　K1　ΔH＜0(Ⅰ) 2NO(g)＋Cl2(g)2ClNO(g)　K2　ΔH＜0(Ⅱ) ①4NO2(g)＋2NaCl(s)2NaNO3(s)＋2NO(g)＋Cl2(g)的平衡常數K＝_______(用K1、K2表示)。 ②為研究不同條件對反應(Ⅱ)的影響，在恒溫條件下，向2 L恒容密閉容器中加入0.2 mol NO和0.1 mol Cl2，10 min時反應(Ⅱ)達到平衡。測得10 min內v(ClNO)＝7.5×10－3 mol·L－1· min－1，則平衡后n(Cl2)＝______ mol，NO的轉化率α1＝________。其他條件保持不變，反應(Ⅱ)在恒壓條件下進行，平衡時NO的轉化率α2___________(填“＞”“＜”或“＝”)α1，平衡常數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＜p2　②減小 (2)① 　②2.5×10－2　75%　＞　不變　升高溫度 【針對訓練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)4N2(g)＋6H2O(g)　ΔH＜0 根據圖示判斷提高脫硝效率的最佳條件是____________________________________；氨氮物質的量之比一定時，在400 ℃時，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，發生反應： C(s)＋2NO(g)N2(g)＋CO2(g)　ΔH＞0 在T1 ℃時，反應進行到不同時間測得各物質的物質的量濃度如下： 時間/min 濃度/mol·L－1　　　01020304050NO1.00.580.400.400.480.48N200.210.300.300.360.36CO200.210.300.300.360.36
①根據圖表數據分析T1 ℃時，該反應在0～20 min的平均反應速率v(CO2)＝________；計算該反應的平衡常數K＝________。 ②30 min后，只改變某一條件，根據上表的數據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．適當縮小容器的體積 D．通入一定量的NO E．加入一定量的活性炭 F．適當升高溫度 參考答案：(1)溫度400 ℃，氨氮物質的量之比為1　 在400 ℃時催化劑的活性最好，催化效率高，同時400 ℃溫度較高，反應速率快 (2)①0.015 mol·L－1·min－1　0.56(或)　②CD　 解析：(1)根據圖示，提高脫硝效率的最佳條件為400 ℃，氨氮物質的量之比為1；在400 ℃時催化劑的活性最好，催化效率高，同時400 ℃溫度較高，則反應速率快。 (2)①根據表格數據可知：在20 min內CO2的濃度增大0.30 mol·L－1，則用CO2的濃度改變表示反應速率是v(CO2)＝0.30 mol·L－1÷20 min＝0.015 mol·L－1·min－1；反應達到平衡時，各種物質的濃度分別是：c(NO)＝0.48 mol·L－1；c(N2)＝c(CO2)＝0.36 mol·L－1，所以在該溫度下的化學平衡常數K＝＝＝≈0.56。②適當縮小容器的體積，則在這一瞬間，所有氣體的濃度都會增大，在達到新的平衡之后，每種氣體的濃度還是比原平衡時的大，故選C項；通入一定量的NO，平衡向右移動，則N2、CO2的濃度都會增大，因為加入了一定量NO，即使減小了，但還是比上一個平衡的濃度大，故選D項；通入一定量的CO2，平衡向左移動，則N2的濃度會減小，不符合題意，故不選A項；催化劑不影響平衡移動，故不選B項；活性炭是固體，不影響平衡移動，故不選E項；ΔH＞0，升高溫度平衡右移，c(NO)減小，故不選F項。 【針對訓練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，可使有毒氣體轉化為無毒氣體。 4CO(g)＋2NO2(g)4CO2(g)＋N2(g) 　ΔH＝－1 200 kJ·mol－1 對于該反應，溫度不同(T2＞T1)、其他條件相同時，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[化學式為CO(NH2)2]。已知： ①2NH3(g)＋CO2(g)===NH2CO2NH4(s)　ΔH＝－159.5 kJ·mol－1 ②NH2CO2NH4(s)===CO(NH2)2(s)＋H2O(g)　ΔH＝＋116.5 kJ·mol－1 ③H2O(l)===H2O(g)　ΔH＝＋44.0 kJ·mol－1 寫出CO2與NH3合成尿素和液態水的熱化學方程式：___________________________。 參考答案：(1)乙 (2)2NH3(g)＋CO2(g)===CO(NH2)2(s)＋H2O(l)　ΔH＝－87.0 kJ·mol－1 解析：(1)甲：升高溫度，化學平衡逆向移動，化學反應速率會迅速增大，會離開原來的速率點，錯誤；乙：升高溫度，化學反應速率會迅速增大，所以T2時先達到化學平衡狀態，并且由于該反應的正反應是放熱反應，所以升高溫度，化學平衡向吸熱的逆反應方向移動，使二氧化氮的轉化率減小，正確；丙：對于該反應來說，正反應是氣體體積減小的反應，在溫度不變時，增大壓強，平衡正向移動，一氧化碳的體積分數會減小，錯誤。(2)依據熱化學方程式和蓋斯定律計算①＋②－③得到CO2與NH3合成尿素和液態水的熱化學方程式為2NH3(g)＋CO2(g)===CO(NH2)2(s)＋H2O(l)　ΔH＝－87.0 kJ·mol－1。
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