2024年高中化学新教材同步 选择性必修第一册 第2章　第2节　研究与实践　了解汽车尾气的治理(教师用书独具)

研究与实践了解汽车尾气的治理(教师用书独具)研究目的让学生通过了解汽车尾气的治理，关注化学反应速率与化学平衡的知识在生产、生活中的应用，培养学生利用化学知识分析身边问题的能力，增强保护环境的意识和责任感。材料阅读1．尾气的成分及其危害(1)空气燃油比、温度等因素对燃烧及其尾气排放的影响[以汽油的成分之一——辛烷(C8H18)为例]①空燃比与化学当量比：影响汽油发动机排放的最主要因素是混合气的空燃比，理论上一公斤燃料完全燃烧时需要14.7公斤的空气。这种空气和燃料的比例称为化学当量比。空燃比与化学当量比关系优点缺点空燃比小于化学当量比供给浓混合气，此时发动机的功率大燃烧不完全，生成的CO、HC(碳氢化合物)多空燃比略大于化学当量比燃烧效率高，燃油消耗量低生成的NOx多②发动机的温度：发动机的工作温度应保持在80～90℃范围内，温度过高、过低均会对汽油的燃烧过程产生不利影响。③燃料燃烧产物：还容易使燃烧中产生的氧化物与水蒸气结合成酸类物质，使气缸腐蚀磨损增加，汽油雾化蒸发不良，进而使燃烧形成的积炭和污染物的排放增加。(2)汽车尾气中有害物质的成因及危害毒。2．尾气的治理(1)我国汽车尾气的排放标准和治理现状。①我国汽车尾气的排放标准2016年12月23日，环境保护部、国家质检总局发布《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，自2020年7月1日起实施。国六b将会在2023年7月1日实施。“国六”与“国五”排放物限值差异排放物国五(汽油车)国六a国六b一氧化碳CO1000(mg·km－1)700(mg·km－1)500(mg·km－1)碳氢化合物HC100(mg·km－1)100(mg·km－1)50(mg·km－1)非甲烷总烃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颗粒4.5(mg·km－1)4.5(mg·km－1)3(mg·km－1)②治理现状(2)汽车尾气三元催化转化中涉及的化学原理三元催化转化器由一个金属外壳、一个网底架和一个催化层(含有铂、铑等贵重金属)组成，可除去HC、CO和NOx三种主要污染物质的90%(所谓三元是指除去这三种化合物时所发生的化学反应)。(3)选择性催化还原(SCR)技术在柴油车尾气治理中的应用选择性催化还原技术(SCR)是针对柴油车尾气排放中NOx的一项处理工艺，即在催化剂的作用下，喷入还原剂氨或尿素，把尾气中的NOx还原成N2。SCR(选择性催化还原)工作原理：CO(NH2)2＋H2O=2NH3↑＋CO2↑，4NO＋4NH3＋O2=4N2＋6H2O。该技术也被广泛应用于柴油机尾气处理，从而达到既节能又减排的目的。结果与讨论通过调查和分析，你得到什么启示？提示通过调查和分析，了解到汽车尾气的成分和危害，还有我国面临的严峻形势以及国家在治理方面所采取的措施，了解了化学在治理汽车尾气新技术中所起到的巨大作用，体会到化学独特的魅力。1．(2022·济南高二检测)治理汽车尾气中NO和CO污染的一种方法是将其转化为无害的CO2和N2，反应原理为2NO(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋N2(g)ΔH<0。某研究小组在三个容积均为5L的恒容密闭容器中，分别充入0.4molNO和0.4molCO，在三种不同实验条件下进行上述反应(体系各自保持温度不变)，反应体系总压强随时间的变化如图所示。(1)实验Ⅱ从开始至达到平衡时的平均反应速率v(NO)＝________________。(2)与实验Ⅱ相比，实验Ⅰ和实验Ⅲ分别仅改变一种反应条件，所改变的条件和判断的理由分别为实验Ⅰ：_______________________________________________________________。实验Ⅲ：_______________________________________________________________。(3)三组实验中CO的平衡转化率αⅠ(CO)、αⅡ(CO)和αⅢ(CO)的大小关系为________________。(4)实验Ⅲ的平衡常数K＝________________。答案(1)1.75×10－3mol·L－1·min－1(2)升高温度，达到平衡的时间比实验Ⅱ短，且起始压强增大加催化剂，达到平衡的时间比实验Ⅱ短，平衡没有移动(3)αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)>αⅠ(CO)(4)17150解析(1)设参加反应的NO为xmol，则：2NO(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋N2(g)起始/mol0.40.400转化/molxxx0.5x平衡/mol0.4－x0.4－xx0.5x恒温恒容条件下，压强之比等于物质的量之比，则(0.4＋0.4)∶(0.4－x＋0.4－x＋x＋0.5x)＝320∶250，解得x＝0.35，故v(NO)＝eq\f(0.35mol,5L×40min)＝1.75×10－3mol·L－1·min－1。(3)实验Ⅱ、Ⅲ相比平衡不移动，故CO的平衡转化率不变，即αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)，实验Ⅰ、Ⅱ相比，实验Ⅰ温度较高，正反应为放热反应，平衡向逆反应方向移动，CO的平衡转化率减小，即αⅠ(CO)<αⅡ(CO)，故αⅡ(CO)＝αⅢ(CO)>αⅠ(CO)。(4)实验Ⅱ、Ⅲ温度相同，平衡常数相同，结合(1)中计算可以知道平衡时：c(NO)＝eq\f(0.4mol－0.35mol,5L)＝0.01mol·L－1，c(CO)＝eq\f(0.4mol－0.35mol,5L)＝0.01mol·L－1，c(CO2)＝eq\f(0.35mol,5L)＝0.07mol·L－1，c(N2)＝eq\f(0.5×0.35mol,5L)＝0.035mol·L－1，实验Ⅲ的平衡常数K＝eq\f(c2CO2·cN2,c2NO·c2CO)＝eq\f(0.072×0.035,0.012×0.012)＝17150。2．(2022·郑州高二月考)汽车尾气是城市的主要污染源之一，治理的办法之一是在汽车排气管上装催化转化器，它使NO与CO反应生成可参与大气生态循环的无毒气体，常温常压下其热化学方程式为2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)ΔH＝－113kJ·mol－1。(1)既能加快该反应的反应速率，又能提高NO的转化率，关于上述反应可采取的正确措施为________(填字母，下同)。A．升高温度 B．增大压强C．使用更多的NO D．使用适当的催化剂(2)在一密闭容器中发生上述反应，下列描述能说明反应已达到平衡的是________。A．2v正(CO2)＝v逆(N2)B．容器中气体的平均相对分子质量不随时间变化C．某时刻容器中NO与N2的物质的量之比为2∶1D．容器中气体的分子总数不随时间而变化(3)常温下，在一个容积为2L的恒容密闭容器中充入0.20molNO和0.20molCO，半分钟后反应达到平衡，测得容器中含N20.08mol。①从反应开始至达到平衡时的平均反应速率v(CO2)＝________mol·L－1·min－1。②常温下，该反应的平衡常数K＝________，若要使K增大，则改变的条件为________。③若继续通入0.20molNO和0.20molCO，则NO的平衡转化率会________(填“增大”“减小”或“不变”)，再次达到平衡后，________mol<n(N2)<________mol。答案(1)B(2)BD(3)①0.16②1600降温③增大0.160.20解析(1)该反应为放热反应，升高温度，化学反应速率加快，平衡逆向移动，NO的转化率会减小，A错误；增加NO的用量，化学反应速率加快，平衡正向移动，CO的转化率增大，NO的转化率减小，C错误；使用适当的催化剂，不能改变反应限度，不能提高NO的转化率，D错误。(2)由反应可知：v正(CO2)＝2v逆(N2)时反应达到平衡状态，A错误；某时刻NO与N2的物质的量之比为2∶1，不能说明该比例保持不变，C错误。(3)容器体积为2L，反应时间为0.5min，依据三段式计算，2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g)起始/mol0.200.2000转化/mol0.160.160.080.16平衡/mol0.040.040.080.16①v(CO2)＝eq\f(0.16mol,2L×0.5min)＝0.16mol·L－1·min－1。②K＝eq\f(0.082×0.04,0.022×0.022)＝1600；该反应为放热反应，要使K增大，只能降温。③继续通入0.20molNO和0.20molCO，相当于加压，NO的平衡转化率会增大；反应再次3．(2022·山东莱西高二月考)汽车尾气已成为城市空气的主要污染源，治理汽车尾气的SCR(选择性催化还原)和NSR(NOx储存还原)技术均可有效降低柴油发动机工作过程中排放的NOx。NSR(NOx储存还原)的工作原理如图所示，柴油发动机工作时在稀燃(O2充足、柴油较少)和富燃(O2不足、柴油较多)条件下交替进行，通过BaO和Ba(NO3)2的相互转化实现NOx的储存和还原。(1)BaO吸收NO2的反应中氧化剂与还原剂的物质的量之比是________。(2)若柴油中硫含量较高，在稀燃过程中，BaO吸收氮氧化物的能力下降至很低水平，结合化学方程式解释原因：______________________________________________________________________________________________________________________________。(3)研究发现：尾气中的CO2对BaO吸收氮氧化物有影响。一定温度下，测得气体中CO2的体积分数与氮氧化物吸收率的关系如图所示。一定范围内，氮氧化物吸收率随CO2体积分数的增大而下降，原因是____________________________________________________________________________________________________________________________；当CO2体积分数达到10%～20%时，氮氧化物吸收率依然较高，原因可能是___________________________________________________