سلام بر دانش آموزان عزیز✨
در این مطلب خلاصه نکات ، تست و نمونه سوالات نهایی مرتبط با بخش ابتدایی فصل چهار شیمی دوازدهم را در اختیار شما قرار داده ایم.
سوالات نهایی مربوطه:
یکی از کاتالیزگز های مورد استفاده در مبدل کاتالیستی خودرو های بنزینی، فلز (پالادیم/سرب) است و آلاینده NO با عبور از این مبدل به گاز (NH3/N2) تبدیل می شود.
در مبدل کاتالیستی خودرو های بنزینی با ورود آمونیاک، گاز های NO و NO2 به گاز نیتروژن تبدیل می شوند. 
نمودار زیر غلظت برخی از آلاینده ها را در نمونه ای از هوای یک شهر بزرگ نشان می دهد.
آ)کمترین غلظت آلاینده مربوط به کدام گاز است؟
ب)کدام آلاینده موجب قهوه ای شدن هوا می شود؟
پ)با افزایش غلظت اوزون، رنگ هوای آلوده کم رنگ تر یا پر رنگ تر می شود؟ توضیح دهید.
ت)معادله واکنش موازنه شده پیدایش گاز نیتروژن مونوکسید را بنویسید.
شکل رو به رو مبدل کاتالیستی در خودرو های دیزلی نشان می دهد.
الف)نام یا فرمول شیمیایی ماده موجود در مخزن A چیست؟
ب)فرمول شیمیایی گاز های خروجی B و C را بنویسید.
ج)با توجه به نمودار تبدیل CO به CO2، علت استفاده از کاتالیزگر در این مبدل چیست؟
واکنش های زیر در فرایند حذف آلاینده های موجود در اگزوز خودرو ها انجام می شوند.
آ) سرعت کدام واکنش بیشتر است؟چرا؟
ب)چرا با افزایش دما سرعت این واکنش ها بیشتر می شود؟
پ)کدام واکنش داده شده در مبدل کاتالیستی خودروهای دیزلی انجام نمی شود؟
درسنامه:
شواهد تاریخی در گذر زمان نشان می دهد که انسان به تدریج با مسائل پیچیده تری روبه رو شده است. از این رو پیش بینی می شود که در آینده چالش های تازه و حیاتی پیش رو داشته باشد. بدیهی است برطرف کردن و حل هر یک از آنها به دانش و فناوری های پیشرفته تری نیاز خواهد داشت.
با اینکه استفاده بهینه و درست از دانش و فناوری، آسایش و رفاه را در زندگی تأمین می کند، اما استفاده نادرست از آن، آثار مخرب تر و زیانبارتری به دنبال خواهد داشت. در واقع نوع استفاده از دانش و فناوری دو روی یک سکه هستند. برای نمونه تولید سلاح های شیمیایی استفاده نادرست از دانش و فناوری را نشان می دهد.
با رشد دانش و فناوری، گسترش صنایع گوناگون و با رفتارهای نادرست، دسترسی به هوای پاک محدودتر شده است.
هوای خشک و پاک مخلوطی از گازهای گوناگون است که به طور یکنواخت در هوا کره پخش شده اند. در حالی که هوای آلوده افزون بر آنها حاوی گازهای گوناگونی مانند CO2، O3 ،NO2 ،CO ،NO ، ذره های معلق و موارد آلی فرار است. به دلیل وجود این آلاینده ها، هوای آلوده بوی بدی دارد، چهرۀ شهر را زشت می کند، فرسودگی ساختمان ها و پوسیدگی خودروها را سرعت می بخشد و سبب ایجاد و تشدید بیماری های تنفسی ازجمله برونشیت، آسم، سرطان ریه و حتی مرگ می شود.
از ساعت 12 شب تا 4 صبح به دلیل کم بودن تردد خودرو ها مقدار سه آلاینده تقریبا ثابت است، از ساعت 4 با ورود خودرو ها و انجام واکنش N2+O2→2NO غلظت NO افزایش می یابد. سپس واکنش2NO2→ 2NO2+O2 انجام می شود و غلظت NO2 از ساعت 5 شروع به افزایش می کند و ساعت 9 به بیشترین حد خود می رسد. با قدرت گرفتن نور خورشید از ساعت7 واکنش NO2+O2→O3+NO به میزان بیشتری انجام می شود و غلظت O3 افزایش می یابد و حدود ساعت 10 به بیشترین مقدار خود می رسد.
بنزین با کیفیت پایین، زغال سنگ، نفت خام و گازوئیل مقادیر متفاوتی گوگرد دارند و بر اثر سوزاندن این مواد گوگرد موجود در آنها سوخته و SO2 تولید می کند. S+O2→SO2
پیدایش کربن مونوکسید ناشی از سوختن ناقص هیدروکربن هاست.
2C8H18+17O2→16CO+18H2O
بیشترین مقدار آلاینده در شبانه روز : NO2>O3>NO
هوای آلوده حاوی آ لاینده هایی است که اغلب بی رنگ هستند و نمی توان به آسانی وجود آنها را تشخیص داد. همچنین نوع آلاینده ها و مقدار هریک از آنها در شهرهای گوناگون متفاوت است.
هرگاه یک نمونه ماده در برابر پرتوهای الکترومغناطیسی قرار گیرد، ممکن است گستره معینی از آنها را جذب و پرتوهای باقی مانده را بازتاب کند یا عبور دهد.
ماده 2 پرتو های کمتری را بازتاب کرده و در نتیجه پرتو های بیشتری توسط آن جذب شده است.
و این دو ماده ساختار متفاوتی دارند چون طیف جذبی متفاوتی دارند و جذب و بازتاب بر اساس ساختار ماده انجام می شود.
شیمی دان ها با استفاده از چنین برهم کنش هایی میان ماده و پرتوهای الکترومغناطیسی، روش های گوناگون طیف سنجی را برای شناسایی ساختار مواد پایه گذاری کرده اند یکی از رایج ترین روش های طیف سنجی که برای شناسایی گروه های عاملی به کار می رود، طیف سنجی فروسرخ نام دارد. با توجه به اینکه شمار و نوع اتم های سازنده هر گروه عاملی متفاوت از دیگری است، هر یک از آنها تنها گستره معین و منحصر به فردی از پرتوهای فروسرخ را جذب می کنند. همین تفاوت، اساس شناسایی گروه های عاملی از یکدیگر است.
از طیف سنجی فروسرخ می توان برای شناسایی آلاینده هایی مانند کربن مونوکسید و اکسیدهای نیتروژن در هواکره و نیز شناسایی برخی مولکول ها در فضای بین ستاره ای استفاده کرد. افزون بر طیف سنجی فروسرخ می توان از برهم کنش پرتوهای فرابنفش، نور خود، مرئی، امواج رادیویی و... نیز برای شناسایی مواد گوناگون بهره برد.
ام. آر. آی نمونه ای از کاربرد طیف سنجی در علم پزشکی است.
انرژی فعال سازی در واکنش های شیمیایی:
واکنش های شیمیایی صرف نظر از اینکه گرماده یا گرماگیر باشند، برای آغاز شدن به انرژی نیاز دارند؛برای انجام شدن به حداقلی از انرژی نیاز دارد. در واقع برای اینکه یک واکنش شیمیایی آغاز شود باید واکنش دهنده ها مقدار معینی انرژی داشته باشند. که به آن انرژی فعال سازی واکنش می گویند.
انرژی فعالسازی واکنش را با Ea نمایش می دهند و با یکای کیلوژول گزارش می کنند.
هرچه انرژی فعال سازی واکنشی بیشتر باشد، سرعت آن کمتر است. در نتیجه واکنش در شرایط دشوارتر و دمای با لاتری انجام می شود زیرا بزرگ بودن Ea نشان می دهد که واکنش دهنده ها برای عبور از این سد به انرژی بیشتری نیاز دارند.
از این رو با افزایش دما، انرژی واکنش دهنده ها بیشتر می شود. به طوری که شمار ذره هایی که در واحد زمان می توانند به فراورده ها تبدیل شوند، افزایش می یابد.
در واکنش های گرماگیر انرژی فعال سازی واکنش رفت از انرژی فعال سازی واکنش برگشت بیشتر است. و سرعت رفت از سرعت برگشت کم تر است زیرا واکنش رفت دارای انرژی فعال سازی بزرگ تر است.
در واکنش های گرماده انرژی فعال سازی واکنش رفت از انرژی فعال سازی واکنش برگشت کم تر است. و سرعت رفت از سرعت برگشت بیشتر است زیرا واکنش رفت دارای انرژی فعال سازی کوچک تر است.
فسفر سفید برخلاف گاز هیدروژن در هوا و در دمای اتاق می سوزد. این موضوع نشان می دهد که انرژی فعال سازی واکنش سوختن فسفر سفید از انرژی فعال سازی واکنش سوختن گاز هیدروژن کم تر است.
واکنش میان گاز های هیدروژن و اکسیژن:
این واکنش در دمای اتاق بدون حضور کاتالیزگر انجام نمی شود چون انرژی فعال سازی آن زیاد است و در دمای اتاق تامین نمی شود.
جرقه به تامین انرژی واکنش کمک می کند و پودر روی و توری پلاتینی در نقش کاتالیزگر اند.
مبدل کاتالیستی:
برای حذف آ لاینده های موجود در اگزوز خودروها، قطعه ای را در مسیر خروج گاز ها قرار می دهند. این قطعه در نقش کاتالیزگر می باشد. مبدل کاتالیستی نامی است که به آن نسبت می دهند.
این آلاینده ها در کسری از ثانیه از موتور خودرو خارج و وارد هواکره می شوند. همچنین دمای آنها در این زمان بسیار کوتاه به سرعت کاهش می یابد.
همه واکنش ها گرماده هستند و در دمای پایین انجام نمی شود یا کند است.
مبدل کاتالیستی در داخل موتور نصب نمی شود بلکه در خارج از موتور خودرو و در مسیر خروج گاز ها نصب می شود.
از آنجایی که انرژی فعال سازی این دو واکنش زیاد است، در دمای اتاق انجام پذیر نیستند.
مقدار گرمای آزاد شده از واکنش حذف آلاینده CO بیشتر از حذف آلاینده NO است ولی انرژی فعال سازی واکنش حذف آلاینده NO بیشتر است، بنابراین سرعت آن کمتر است.
واکنش اکسایش گاز نیتروژن و تبدیل آن به NO تنها واکنش اکسایش گرماگیر است.
بر روی سطح این قطعه سرامیکی که به شکل توری به کار می رود، فلز های رودیم(Rh)، پالادیم (Pd) و پلاتین (Pt) نشانده شده است. برای افزایش کارایی مبدل کاتالیستی، گاهی سرامیک را به شکل مش (دانه های ریز) در می آورند و کاتالیزگر ها را روی سطح آن می نشانند. تا سطح تماس کاتالیزگر با آلاینده ها بیشتر شود و کارایی مبدل افزایش یابد.
درسطح سرامیک های درون مبدل کاتالیستی، توده های فلزی با قطر 2 تا 10 نانومتر وجود دارند.
با اینکه مبدل کاتالیستی برای مدت طولانی کار می کند اما پس از مدت معینی کارایی آن کاهش می یابد و دیگر قابل استفاده نیست.
مقایسه مقدار کاهش آلاینده ها:
CO>CxHy>NO
مقایسه درصد تغیر آلاینده ها:
NO>CxHy>CO
علاوه بر آلاینده ها درصد قابل توجهی از گاز های ورودی و خروجی مبدل شامل فراورده های سوختن کامل بنزین یعنی CO2 وHO2 است. وجود CO نشان دهنده سوختن ناقص در موتور خودرو است.
مبدل های کاتالیستی برای اینکه به حداکثر کارایی خود برسند دست کم باید به دمایی حدود 300 درجه برسند و چون در زمستان مبدل هنوز دمای پایینی دارد کارایی لازم را نداشته و گاز های CO، NO، CxHy از اگزوز موتور خارج می شوند.
یک راه حل مقابله با این مشکل استفاده از مبدل هایی است که دارای مواد شیمیایی و سیستم عایق بندی مخصوص هستند که می توانند دمای بالا را به مدت نسبتا طولانی در خود نگه دارند.
با استفاده از مبدل کاتالیستی می توان از ورود آ لاینده های تولید شده در خودروهای بنزینی به هواکره جلوگیری کرد. اما بررسی ها نشان می دهد که با استفاده از این نوع مبدل ها نمی توان گاز هایNO و NO2 خروجی از خودرو های دیزلی را به گاز نیتروژن تبدیل کرد. پژوهشگران و مهندسان برای خودروهای دیزلی مبدلی طراحی کرده اند.
در این مبدل با ورود آمونیاک و انجام واکنش زیر، گاز های NO و NO2 به گاز N2 تبدیل شده و تا حدودی از ورود گاز های NO و NO2 به هواکره جلوگیری می کند.
در خودرو های بنزینی NO2 جز آلاینده های خروجی از اگزوز محسوب نمی شود اما در خودرو های دیزلی علاوه بر NO گاز NO2 نیز جز آلاینده های نیتروژن دار محسوب می شود.
در محفظه اول همانند مبدل های کاتالیستی خودرو های بنزینی CO و CxHy واکنش می دهند و در محفظه دوم NO و NO2 واکنش می دهند.
چون در واکنش ها گاز آمونیاک مصرف می شود پس می توان گفت تعداد اتم های نیتروژن خارج شده از اگزوز خودرو دیزلی بیشتر از تعداد اتم های نیتروژن خارج شده از موتور خودرو است.
از مبدل کاتالیستی O2 خارج می شود اما از مبدل خودرو های دیزلی خارج نمی شود.
ابتدا گاز CO حذف می شود و سپس واکنش ها انجام می گیرد.
