Номер 14, страница 320 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 45. Оксиды азота. Азотистая кислота и нитриты - номер 14, страница 320.

Условие.

14. В выхлопных газах автомобилей среди разных загрязнителей окружающей среды содержатся оксиды азота. Конструкция глушителя автомобиля предполагает очистку выхлопных газов от них. Каким образом происходит сокращение выбросов оксидов азота в атмосферу? Предложите альтернативные способы.

Решение.

Решение 2.

Сокращение выбросов оксидов азота в выхлопной системе автомобиля

Сокращение выбросов оксидов азота ($NO_x$) происходит не в глушителе как таковом, а в специальном устройстве выхлопной системы — каталитическом нейтрализаторе (или каталитическом конвертере). Современные бензиновые автомобили оснащаются трёхкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, которые выполняют три основные функции:

1. Окисление угарного газа ($\text{CO}$) до углекислого газа ($CO_2$).
2. Окисление несгоревших углеводородов ($C_xH_y$) до углекислого газа и воды ($H_2O$).
3. Восстановление оксидов азота ($NO_x$) до безопасного газообразного азота ($N_2$).

Процесс восстановления оксидов азота происходит на каталитическом слое, содержащем родий ($\text{Rh}$). При высокой температуре выхлопных газов (400–800 °C) родий способствует протеканию химической реакции, в ходе которой оксиды азота (например, $\text{NO}$ и $NO_2$) реагируют с угарным газом ($\text{CO}$) или углеводородами. В результате этой реакции оксиды азота теряют кислород (восстанавливаются), превращаясь в молекулярный азот, который является основной составляющей атмосферного воздуха.

Пример основной реакции восстановления:
$2NO + 2CO \xrightarrow{Rh} N_2 + 2CO_2$
Таким образом, токсичные оксиды азота преобразуются в безвредный азот.

Ответ: Сокращение выбросов оксидов азота происходит в каталитическом нейтрализаторе за счет их химического восстановления до безвредного молекулярного азота ($N_2$) на поверхности катализатора (родия).

Альтернативные способы сокращения выбросов оксидов азота

Помимо каталитической нейтрализации в выхлопной системе, существуют и другие способы, направленные в основном на предотвращение образования $NO_x$ в камере сгорания двигателя.

1. Система рециркуляции отработавших газов (EGR – Exhaust Gas Recirculation). Часть отработавших газов направляется обратно во впускной коллектор и смешивается со свежей топливовоздушной смесью. Эти газы (в основном $N_2$ и $CO_2$) являются инертными и не участвуют в горении, но снижают максимальную температуру в цилиндрах. Поскольку оксиды азота образуются при очень высоких температурах (свыше 1300 °C), снижение пиковой температуры горения значительно уменьшает их образование.
2. Система селективного каталитического восстановления (SCR – Selective Catalytic Reduction). Этот метод широко применяется в дизельных двигателях. В поток выхлопных газов перед специальным катализатором впрыскивается реагент — водный раствор мочевины (торговое название AdBlue). Мочевина под действием высокой температуры разлагается на аммиак ($NH_3$). Аммиак затем вступает в реакцию с оксидами азота на катализаторе, в результате чего образуются безвредные азот и вода.
   Пример реакции: $4NO + 4NH_3 + O_2 \rightarrow 4N_2 + 6H_2O$
3. Оптимизация рабочего процесса двигателя. Современные системы управления двигателем могут изменять параметры его работы (состав топливовоздушной смеси, угол опережения зажигания, фазы газораспределения) таким образом, чтобы минимизировать образование $NO_x$ в определённых режимах работы. Например, работа на обогащённой смеси снижает количество свободного кислорода и температуру горения.
4. Переход на альтернативные виды транспорта. Наиболее радикальным способом является отказ от двигателей внутреннего сгорания. Электромобили и автомобили на водородных топливных элементах не производят выбросов оксидов азота в месте эксплуатации, так как в них отсутствует процесс горения топлива.

Ответ: Альтернативные способы включают систему рециркуляции отработавших газов (EGR), систему селективного каталитического восстановления (SCR) с использованием мочевины, оптимизацию параметров работы двигателя, а также переход на экологически чистые виды транспорта (электромобили, водородные автомобили).