第二章 第二节 研究与实践 了解汽车尾气的治理(教师用书独具)（Word教参）-【步步高】2024-2025学年高二化学选择性必修1学习笔记（人教版）

本高中化学讲义以汽车尾气治理为核心，系统梳理化学反应速率与化学平衡知识在实际中的应用，涵盖尾气成分（CO、HC、NOx等）及空燃比、温度对燃烧的影响，治理技术（三元催化转化、SCR）原理，以及平衡常数、转化率等相关计算，构建从问题到原理再到应用的学习支架。 该资料以真实情境为载体，突出科学探究与实践（分析治理技术原理、处理国六排放标准数据）、科学思维（证据推理如条件对平衡影响分析、模型建构如平衡计算）及科学态度与责任（环保意识）。通过对比国六与国五排放限值培养数据分析能力，练习题强化平衡计算提升逻辑推理，课中助理论联系实际，课后可通过习题巩固知识，弥补薄弱环节。

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 汽车尾气最主要的危害是形成光化学烟雾。汽车尾气中一氧化碳的含量较高，可引起CO中毒。 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CO 1 000(mg·km－1) 700(mg·km－1) 500(mg·km－1) 碳氢化合物HC 100(mg·km－1) 100(mg·km－1) 50(mg·km－1) 非甲烷总烃NMHC 68(mg·km－1) 68(mg·km－1) 35(mg·km－1) 氮氧化物NOx 60(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．(2023·日照检测)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5 L的恒容密闭容器中，分别充入0.4 mol NO和0.4 mol CO，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) 1.75×10－3 mol·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)17 150 解析　(1)设参加反应的NO为x mol，则： 2NO(g)＋2CO(g)2CO2(g)＋N2(g) 起始/mol　　0.4　　　0.4　　　　0　　　　0 转化/mol　　x　　　　x　　　　　x　　　0.5x 平衡/mol　　0.4－x　　0.4－x　　　x　　　0.5x 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)＝＝1.75×10－3 mol·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)＝＝0.01 mol·L－1，c(CO)＝＝0.01 mol·L－1，c(CO2)＝＝0.07 mol·L－1，c(N2)＝＝0.035 mol·L－1，实验Ⅲ的平衡常数K＝＝＝17 150。 2．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＝－113 kJ·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∶1 D．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2 L的恒容密闭容器中充入0.20 mol NO和0.20 mol CO，半分钟后反应达到平衡，测得容器中含N2 0.08 mol。 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0.20 mol NO和0.20 mol CO，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)①0.16　②1 600　降温　③增大　0.16　0.20 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2 L，反应时间为0.5 min，依据三段式计算， 2NO(g)＋2CO(g)N2(g)＋2CO2(g) 起始/mol　　0.20　　　0.20　　　0　　　0 转化/mol　　0.16　　　0.16　　　0.08　　0.16 平衡/mol　　0.04　　　0.04　　　0.08　　0.16 ①v(CO2)＝ ＝0.16 mol·L－1·min－1。 ②K＝＝1 600；该反应为放热反应，要使K增大，只能降温。 ③继续通入0.20 mol NO和0.20 mol CO，相当于加压，NO的平衡转化率会增大；反应再次达到平衡后，N2的物质的量比原平衡中的2倍还大，但反应不能完全转化，因此要比0.20 mol小。 3．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__________。 答案　(1)1∶4　(2)稀燃过程中，硫被氧化为二氧化硫，发生反应：2BaO＋2SO2＋O2===2BaSO4，硫酸钡稳定，不易分解，也难与NOx反应　(3)BaO与CO2反应生成BaCO3，覆盖在BaO表面　BaCO3在一定程度上也能吸收NOx 解析　(1)根据图示，BaO与NO2、O2反应生成硝酸钡，化学方程式是2BaO＋4NO2＋O2===2Ba(NO3)2，氧化剂(O2)与还原剂(NO2)的物质的量之比是1∶4。 学科网（北京）股份有限公司 $