درسنامه آموزشی شیمی (3) کلاس دوازدهم رشته ریاضی و تجربی
فصل 4: کاهش آلودگی هوا و انرژی فعالسازی واکنشها
وَ أَنَ لَّیْسَ للِإنسان إلَّا مَا سَعَیٰ (سورۀ النجم، آیۀ 39)
و اینکه برای انسان جز آنچه تلاش کرده (بهرهای) نیست.
رشد و پیشرفت هر جامعه تنها در سایه تلاش هدفمند و آگاهانه افراد خبره، کاردان و ورزیده دستیافتنی است. در واقع برای بالا رفتن از نردبان پیشرفت، افزون بر انگیزه باید نخست تکیهگاه مناسبی برای آن یافت. این تکیهگاه دانش، توانایی، مهارت و زیرساختهای لازم است. با تأمین این شرایط برای دستیابی به هدفی معین، تلاش و پشتکار شرط کافی خواهد بود. آنچنان که تداوم و خستگیناپذیری در این راه پیامدهایی فراتر از انتظار توأم با کسب افتخار به دنبال خواهد داشت. از جمله پیامدهای رشد و پیشرفت جامعه میتوان دسترسی آسان و ارزانتر به فناوری نو را نام برد. بهرهگیری از مبدل کاتالیستی در خودرو و کود شیمیایی سبز و همچنین تبدیل مواد شیمیایی خام به مواد ارزشمند از جمله فناوریهایی به شمار میرود که در آنها دانش شیمی همراه با انگیزه و تلاش راهی را به سوی آیندهای روشنتر رقم میزند.
یکی از ویژگیهای ذاتی انسان، کنجکاوی و پرسشگری اوست. از اینرو، پیوسته در پی شناخت محیط پیرامون خود است. او همواره برای زندگی و ادامه آن با چالشها و مشکلات گوناگونی روبهرو بوده است اما با بهرهگیری از هوش، خرد و الهام از طبیعت توانسته برای هر پرسش در ذهن خود پاسخی بیابد. انسان همچنین برای حل مسئله در هر زمان و مکان، راهکاری عملی یافته است. هرچند که برخی پاسخهای ارائه شده و راهکارهای استفاده شده، ساده و برخی دیگر پیچیدهاند، اما هر یک از آنها در جای خود نوآورانه و کارآمد بودهاند.
مجموعه چنین تلاشهایی در گذر زمان منجر به تولید و انباشت دانش و فناوری شده است. یکی از آنها، دانش شیمی و فناوریهای آن است که نقش پررنگی برای گذر از تنگناها و رسیدن به زندگی مدرن امروزی داشته است. شکل 1 برخی از دستاوردهای مهم شیمی را در این راستا نشان میدهد.
شواهد تاریخی در گذر زمان نشان میدهد که انسان به تدریج با مسائل پیچیدهتری روبهرو شده است. از اینرو پیشبینی میشود که در آینده چالشهای تازه و حیاتی پیشرو داشته باشد. بدیهی است برطرف کردن و حل هر یک از آنها به دانش و فناوریهای پیشرفتهتری نیاز خواهد داشت (نمودار 1).
با توجه به کارآمدی علوم تجربی، بسیاری بر این باورند که این علوم و از جمله دانش شیمی و فناوریهای آن میتوانند آینده روشنی را برای جهان رقم بزنند. باید توجه داشت با اینکه استفاده بهینه و درست از دانش و فناوری، آسایش و رفاه را در زندگی تأمین میکند، اما استفاده نادرست از آن، آثار مخربتر و زیانبارتری به دنبال خواهد داشت. در واقع نوع استفاده از دانش و فناوری دو روی یک سکه هستند. برای نمونه تولید سلاحهای شیمیایی استفاده نادرست از دانش و فناوری را نشان میدهد.
در این فصل با سه نمونه از دستاوردهای شیمی برای کاهش آلودگی هوا، افزایش فراوردههای کشاورزی و افزایش بهرهوری منابع شیمیایی آشنا خواهید شد.
آیا میدانید
شیمیدان ژاپنی برنده نوبل 2001، ریوجی نویوری (Ryoji Noyori) معتقد است: شیمی آگاهی مورد نیاز برای دستیابی به توسعه پایدار و حل مسائلی که زندگی را روی زمین تهدید میکند، فراهم میکند.
به دنبال هوای پاک
تماشای آسمان آبی و تنفس در هوای پاک همیشه لذت بخش و شادی آفرین است آنچنان که سعدی، استاد سخن، میفرماید: «هر نفسی که فرو میرود مُمِدّ حیات است و چون بر میآید مُفَرَّح ذات، ...». افسوس که با رشد دانش و فناوری، گسترش صنایع گوناگون و با رفتارهای نادرست، دسترسی به هوای پاک محدودتر شده است. شاید شما هم لایه قهوهای روشن که سطح شهرهای بزرگ جهان و کشورمان را به ویژه در زمستان میپوشاند، دیده باشید. هوایی که نه تنها شادی آفرین نیست بلکه نفس کشیدن را دشوار کرده و مشکلات تنفسی ایجاد میکند (شکل 2).
هوای خشک و پاک مخلوطی از گازهای گوناگون است که به طور یکنواخت در هواکره پخش شدهاند. در حالی که هوای آلوده افزون بر آنها حاوی گازهای گوناگونی مانند $S{{O}_{2}}$، ${{O}_{3}}$، $N{{O}_{2}}$، $CO$، $NO$، ذرههای معلق و مواد آلی فرّار است. به دلیل وجود این آلایندهها، هوای آلوده بوی بدی دارد، چهرۀ شهر را زشت میکند، فرسودگی ساختمانها و پوسیدگی خودروها را سرعت میبخشد و سبب ایجاد و تشدید بیماریهای تنفسی از جمله برونشیت، آسم، سرطان ریه و حتی مرگ میشود.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 92 کتاب درسی)
1- نمودار زیر غلظت برخی از این آلایندهها را در نمونهای از هوای یک شهر بزرگ نشان میدهد.
آ) مقدار این آلایندهها بین چه ساعتهایی از شبانهروز به بیشترین حدّ خود میرسد؟ 10-7 صبح
ب) چرا هوای آلوده به رنگ قهوهای دیده میشود؟
گاز ${{N}_{2}}$ در گرمای موتور خودرو با گاز اکسیژن واکنش داده و تولید $NO$ گازی میکند.
در موتور خودرو ${{N}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{1000{}^\circ C}2NO(g)$
گاز $NO$ میتواند با گاز اکسیژن هوا ترکیب شده و تشکیل گاز قهوهای رنگ $N{{O}_{2}}$ را بدهد.
$2NO(g)+{{O}_{2}}(g)\to 2N{{O}_{2}}(g)$
رنگ قهوهای هوای آلوده به دلیل تشکیل گاز $N{{O}_{2}}$ (نیتروژن دیاکسید) است.
پ) چرا با کاهش مقدار گاز $N{{O}_{2}}$ مقدار گاز ${{O}_{3}}$، رو به افزایش است؟
زیرا گاز اوزون مطابق واکنش زیر با مصرف $N{{O}_{2}}$ تولید میشود.
$N{{O}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\to NO(g)+{{O}_{3}}(g)$
2- در شیمی 1، آموختید که آلایندههای زیر در خروجی اگزوز خودروها وجود دارند.
$CO,S{{O}_{2}},NO,{{C}_{x}}{{H}_{y}}$
آ) دلیل وجود هیدروکربنها در گازهای خروجی از اگزوز را توضیح دهید.
تبخیر سوخت در باک خودرو، سوختن ناقص هیدروکربنها، عدم وجود زمان کافی برای سوختن کامل برخی هیدروکربنها.
ب) پیدایش گازهای کربن مونوکسید، گوگرد دیاکسید و نیتروژن مونوکسید را با نوشتن معادله شیمیایی موازنه شده توجیه کنید.
تشکیل $CO$ بر اثر سوختن ناقص هیدروکربنها:
$2{{C}_{8}}{{H}_{18}}(l)+17{{O}_{2}}(g)\to 16CO(g)+18{{H}_{2}}O(g)$
تشکیل گوگرد دیاکسید:
$S(s)+{{O}_{2}}(g)\to S{{O}_{2}}(g)$
تشکیل نیتروژن مونوکسید:
${{N}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{1000{}^\circ C}2NO(g)$
هوای آلوده حاوی آلایندههایی است که اغلب بیرنگ هستند و نمیتوان به آسانی وجود آنها را تشخیص داد. همچنین نوع آلایندهها و مقدار هریک از آنها در شهرهای گوناگون متفاوت است. آیا میدانید چگونه میتوان نوع و مقدار آلایندهها را در یک نمونه هوای آلوده تعیین کرد؟ برای پاسخ به این پرسش، باید رفتار این مواد را بررسی کرد. یکی از این رفتارها، برهمکنش مواد با پرتوهای الکترومغناطیسی است.
پیش از این آموختید هرگاه یک نمونه ماده در برابر پرتوهای الکترومغناطیسی قرار گیرد، مُمکن است گستره معینی از آنها را جذب و پرتوهای باقیمانده را بازتاب کند یا عبور دهد.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 95 کتاب درسی)
هر یک از شکلهای زیر رفتار یک نمونه ماده را در برابر پرتوهای مرئی نشان میدهد، با توجه به آنها به پرسشهای زیر پاسخ دهید.
آ) کدام نمونه ماده طول موجهای بیشتری از پرتوهای مرئی را جذب کرده است؟ نمونه 2
ب) آیا ساختار این دو ماده یکسان است؟ چرا؟ خیر، زیرا طول موج پرتوهای جذب شده آنها یکسان نیست.
با توجه به اینکه پرتوهای مرئی، بخش کوچکی از گستره پرتوهای الکترومغناطیسی را دربرمیگیرد، انتظار میرود دیگر پرتوها مانند فروسرخ، فرابنفش و... نیز با ماده برهمکنش داشته باشند. شیمیدانها با استفاده از چنین برهمکنشهایی میان ماده و پرتوهای الکترومغناطیسی، روشهای گوناگون طیفسنجی را برای شناسایی ساختار مواد پایهگذاری کردهاند.
یکی از رایجترین روشهای طیفسنجی که برای شناسایی گروههای عاملی بهکار میرود، طیفسنجی فروسرخ نام دارد. با توجه به اینکه شمار و نوع اتمهای سازنده هر گروه عاملی متفاوت از دیگری است، هر یک از آنها تنها گستره معین و منحصربهفردی از پرتوهای فروسرخ را جذب میکنند. همین تفاوت، اساس شناسایی گروههای عاملی از یکدیگر است.
همچنین از طیفسنجی فروسرخ میتوان برای شناسایی آلایندههایی مانند کربنمونوکسید و اکسیدهای نیتروژن در هواکره و نیز شناسایی برخی مولکولها در فضای بین ستارهای استفاده کرد. افزون بر طیفسنجی فروسرخ میتوان از برهمکنش پرتوهای فرابنفش، نور مرئی، امواج رادیویی و... نیز برای شناسایی مواد گوناگون بهره برد. ام.آر.آی (MRI) خود، نمونهای از کاربرد طیفسنجی در علم پزشکی است.
پس از شناسایی و تعیین میزان آلایندهها اکنون این پرسش مطرح است که چگونه میتوان مقدار این آلایندهها را در هواکره کاهش داد یا آنها را حذف کرد؟ آشنایی با رفتار و واکنشهای شیمیایی آلایندهها، انرژی فعالسازی و نقش کاتالیزگر در چنین واکنشهایی میتواند ما را در حل این مسئله یاری کند.
آیا میدانید
در شیمی 1 آموختید که نور، کلید شناخت جهان است. شیمیدانها برای شناسایی ساختار دقیق مواد از رفتار آنها در برابر پرتوهای الکترومغناطیسی (نور) بهره بسیاری بردهاند. هر بخش از گستره پرتوهای الکترومغناطیس برهمکنش ویژهای با ماده دارد و برای شناسایی بخشی از آن ماده بهکار میرود. برای نمونه طیفسنجی فروسرخ برای شناسایی و تشخیص گروههای عاملی بهکار میرود. شکل زیر بخشی از طیف فروسرخ دو ماده با فرمول مولکولی یکسان را (${C_2}{H_6}O$) نشان میدهد.
انرژی فعالسازی در واکنشهای شیمیایی
در شیمی 2 آموختید که واکنشهای شیمیایی با سرعتهای گوناگون انجام میشوند. برای نمونه واکنش زنگ زدن آهن کُند در حالی که واکنش سوختن متان، تند است. به راستی چرا سرعت واکنشهای شیمیایی با هم تفاوت دارند؟ همچنین میدانید که افزایش دما سبب افزایش سرعت واکنشهای شیمیایی میشود؛ برای نمونه گاز نیتروژن با گاز اکسیژن در دمای اتاق واکنش نمیدهد اما درون موتور خودرو اندکی از آنها به نیتروژن مونوکسید تبدیل میشود. آیا میدانید چرا این واکنش در دمای اتاق انجام نمیشود؟
هر واکنش برای انجام شدن به حداقلی از انرژی نیاز دارد. در واقع برای اینکه یک واکنش شیمیایی آغاز شود باید واکنش دهندهها مقدار معینی انرژی داشته باشند. برای درک بهتر این موضوع، فرض کنید شخصی میخواهد گلولهای را از نقطه A به نقطه B منتقل کند (شکل 3).
برای این منظور، او دست کم باید انرژی لازم برای رساندن گلوله به بالای قله را تأمین کند؛ زیرا از آن به بعد گلوله بر اثر نیروی گرانش روی سطح شیبدار به پایین سرازیر میشود. بدیهی است هر چه ارتفاع قله کمتر باشد، انتقال گلوله آسانتر و سریعتر انجام میشود (چرا؟).
برای واکنشهای شیمیایی نیز چنین است، بهطوری که برای آغاز هر واکنش شیمیایی، مقدار معینی از انرژی لازم است که به آن انرژی فعالسازی واکنش میگویند.
یکی از روشهای تأمین این انرژی، گرما دادن به واکنش دهندهها است. جالب اینکه واکنشهای شیمیایی صرفنظر از اینکه گرماده یا گرماگیر باشند، برای آغاز شدن به انرژی نیاز دارند؛ برای نمونه به واکنش سوختن متان (گاز شهری) در اجاق گاز توجه کنید.
$C{{H}_{4}}(g)+2{{O}_{2}}(g)\xrightarrow{{}}C{{O}_{2}}(g)+2{{H}_{2}}O(g)\begin{matrix} {} & {} \\ \end{matrix}\Delta H=-802kJ$
هر چند این واکنش گرماده است اما برای آغازشدن به جرقه یا شعله نیاز دارد. در واقع جرقه یا شعله فندک و کبریت، انرژی فعالسازی واکنش را تأمین میکند (نمودار 2).
این نمودار نشان میدهد که واکنش دهندهها برای آغاز واکنش باید حداقلی از انرژی را داشته باشند تا با عبور از سد انرژی به فراوردهها تبدیل شوند. فراوردههایی که در این واکنش پایدارتر از واکنش دهندهها هستند. به دیگر سخن اگر انرژی فعالسازی این واکنش تأمین نشود، واکنش دهندهها دست نخورده باقی میمانند.
بدیهی است که هرچه انرژی فعالسازی واکنشی بیشتر باشد، سرعت آن کمتر است. در نتیجه واکنش در شرایط دشوارتر و دمای بالاتری انجام میشود زیرا بزرگ بودن ${{E}_{a}}$ نشان میدهد که واکنش دهندهها برای عبور از این سد به انرژی بیشتری نیاز دارند. از این رو با افزایش دما، انرژی واکنش دهندهها بیشتر میشود. به طوری که شمار ذرههایی که در واحد زمان میتوانند به فراوردهها تبدیل شوند، افزایش یافته و در نتیجه سرعت واکنش افزایش مییابد. این توصیف کمک میکند تا بتوان با مقایسه ${{E}_{a}}$ واکنشها، درباره سرعت و شرایط آغاز آنها اظهار نظر کرد.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 98 کتاب درسی)
با توجه به نمودارهای زیر به پرسشها پاسخ دهید.
آ) گرماده یا گرماگیر بودن هر یک از واکنشها را مشخص کنید. پاسخ خود را توضیح دهید.
نمودار (1): گرماده، نمودار (2): گرماگیر و نمودار (3): گرماده. به طور کلی هرگاه محتوای انرژی فراوردهها از واکنش دهندهها پایینتر باشد، واکنش گرماده است و برعکس.
ب) کدام واکنش در شرایط یکسان سریعتر انجام میشود؟ چرا؟
واکنش شماره (3)، زیرا انرژی فعالسازی کمتری دارد.
پ) فسفر سفید برخلاف گاز هیدروژن در هوا و در دمای اتاق میسوزد. با توجه به این واقعیت کدام نمودار به کدام واکنش مربوط است؟ چرا؟
نمودار (1): مربوط به سوختن گاز هیدروژن و نمودار (2): مربوط به سوختن فسفر سفید است؛ مطابق گفتهٔ سوال، دمای اتاق میتواند انرژی فعالسازی واکنش سوختن فسفر را تأمین کند؛ ولی همین دما برای تأمین انرژی فعالسازی سوختن گاز هیدروزن کافی نیست.
برخی واکنشها در صنعت فقط در دما و فشار بالا انجام میشوند و تولید فراوردهها در آنها صرفه اقتصادی ندارد (چرا؟). از این رو شیمیدانها در پی یافتن شرایط بهینه (دما و فشار پایینتر) برای انجام چنین واکنشهایی هستند. به نظر شما چگونه میتوان واکنشهایی از این دست که انرژی فعالسازی زیادی دارند را در دما و فشار پایین با سرعت مناسب انجام داد؟ بدون تردید پاسخ شما، یافتن راهی برای کاهش انرژی فعالسازی است که با استفاده از کاتالیزگر امکانپذیر است. مادهای که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش میدهد، در حالی که خودش در پایان واکنش باقی میماند. اما چگونه چنین چیزی ممکن است؟
کاتالیزگر را میتوان به تونلی در یک جاده کوهستانی تشبیه کرد. تونل با کوتاه کردن مسیر حرکت سبب میشود که مسافران زودتر به مقصد برسند، کاتالیزگر نیز با تغییر مسیر واکنش، انرژی فعالسازی را کاهش داده و سبب میشود واکنش دهندهها سریعتر به فراوردهها تبدیل شوند.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 99 کتاب درسی)
1- جدول زیر برخی دادهها برای واکنش میان گازهای هیدروژن و اکسیژن را در شرایط گوناگون نشان میدهد، با توجه به آن به پرسشها پاسخ دهید.
| شرایط آزمایش | دما ($^\circ C$) | سرعت واکنش | آنتالپی واکنش $(kJ)$ |
|---|---|---|---|
| بدون حضور کاتالیزگر | 25 | ناچیز | 572- |
| ایجاد جرقه در مخلوط | 25 | انفجاری | 572- |
| در حضور پودر روی | 25 | سریع | 572- |
| در حضور توری پلاتینی | 25 | انفجاری | 572- |
آ) توضیح دهید چرا این واکنش در دمای اتاق بدون حضور کاتالیزگر انجام نمیشود؟
انجام واکنش میان گازهای هیدروژن و اکسیژن نیاز به انرژی فعالسازی زیادی دارد که دمای اتاق نمیتواند آن را تأمین کند.
ب) نقش جرقه در انجام واکنش چیست؟ تأمین انرژی فعالسازی برای شروع واکنش
پ) نقش پودر روی و توری پلاتینی در این واکنش چیست؟
هر دو به عنوان کاتالیزگر عمل کرده و سبب میشوند که واکنش در دمای پایین (دمای اتاق) انجام پذیر شود. به عبارت دیگر باعث میشوند تا انرژی فعالسازی کاهش یابد.
ت) کدام کمیت برای این واکنش در هر شرایطی ثابت میماند؟ آنتالپی واکنش
2- هر یک از نمودارها را به کدام شرایط واکنش میتوان نسبت داد؟ توضیح دهید.
${{E}_{a1}}$: واکنش با ایجاد جرقه، ${{E}_{a2}}$: واکنش با کاتالیزگر روی، ${{E}_{a3}}$: واکنش در حضور توری پلاتینی
کاتالیزگر با کاهش انرژی فعالسازی سبب افزایش سرعت واکنش میشود. از طرفی هرچه سطح تماس کاتالیز با واکنشدهنده را بیشتر کنیم سرعت واکنش نیز بیشتر میشود.
3- با خط زدن واژه نادرست در هر مورد، عبارت داده شده را کامل کنید.
کاتالیزگر در هر واکنش شیمیایی با (کاهش / افزایش) انرژی فعالسازی، سرعت واکنش را (کاهش / افزایش) میدهد، اما آنتالپی واکنش (ثابت میماند / افزایش مییابد).
پی بردید که انرژی فعالسازی واکنش را میتوان با استفاده از گرما تأمین کرد یا با استفاده از کاتالیزگر کاهش داده تا واکنشها را با سرعت دلخواه انجام داد. اینک زمان آن رسیده است که در نقش یک شیمیدان یا مهندس شیمی با تکیه بر دانش شیمی خود، راهکارهایی برای کاهش یا حذف آلایندههای خروجی از اگزوز خودروها ارائه کنید. نکته شایان توجه این است که این آلایندهها در کسری از ثانیه از موتور خودرو خارج و وارد هواکره میشوند. همچنین دمای آنها در این زمان بسیار کوتاه به سرعت کاهش مییابد.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 100 کتاب درسی)
1- برای حذف آلایندههای موجود در اگزوز خودروها ($C_xH_y$، $NO$ و $CO$) قطعهای را در مسیر خروج گازها قرار میدهند. با توجه به شکل زیر به پرسشها پاسخ دهید.
آ) هر آلاینده پس از عبور از قطعه A به چه فراوردهای تبدیل میشود؟
$CO$ به $C{{O}_{2}}$، $NO$ به ${{N}_{2}}$ و ${{O}_{2}}$ و هیدروکربنها $({{C}_{x}}{{H}_{y}})$ به $C{{O}_{2}}$ و ${{H}_{2}}O$ تبدیل میشوند.
ب) معادله شیمیایی حذف هر یک از آلایندهها را بنویسید و موازنه کنید.
معادلهٔ شیمیایی تبدیل گاز $CO$ به $C{{O}_{2}}$:
$2CO(g)+{{O}_{2}}(g)\to 2C{{O}_{2}}(g)$
معادلهٔ شیمیایی تبدیل گاز $NO$ به ${{N}_{2}}$ و ${{O}_{2}}$:
$2NO(g)\to {{N}_{2}}(g)+{{O}_{2}}(g)$
معادلهٔ شیمیایی تبدیل هیدروکربنهای سوخته نشده به $C{{O}_{2}}$ و بخار آب:
${{C}_{x}}{{H}_{y}}(x)+(x+\frac{y}{4}){{O}_{2}}(g)\to xC{{O}_{2}}(g)+\frac{y}{2}{{H}_{2}}O(g)$
2- با توجه به نمودارهای زیر به پرسشها پاسخ دهید.
آ) چرا این واکنشها در دماهای پایین انجام نمیشوند یا بسیار کند هستند؟
انجام این واکنشها نیاز به فعالسازی زیادی دارد که در دمای پایین نمیتوان آن را تأمین کرد.
ب) انرژی فعال سازی و آنتالپی هر واکنش را تعیین کنید.
3- جدول زیر مقدار این آلایندهها را در حضور و غیاب قطعه A نشان میدهد. با توجه به آن پیش بینی کنید نقش این قطعه چیست؟
کاهش آلایندههای هواکره قبل از خروج از اگزوز خودرو
| فرمول شیمیایی آلاینده | $CO$ | $CxHy$ | $NO$ | |
|---|---|---|---|---|
| مقدار آلاینده بر حسب گرم به ازای طی یک کیلومتر | در غیاب قطعه $A$ | 5/99 | 1/67 | 1/04 |
| در حضور قطعه $A$ | 0/61 | 0/07 | 0/04 | |
پ) تجربه نشان میدهد که کارایی قطعه A به نوع کاتالیزگرهای موجود در آن بستگی دارد. این قطعه محتوی سه نوع کاتالیزگر است. با این توصیف کدام عبارت زیر درست است؟ چرا؟
- هر کاتالیزگر میتواند به همه واکنشها سرعت ببخشد.
نادرست، اگر این جمله صحیح بود یک کاتالیزگر برای قطعه کافی بود. وجود سه کاتالیزگر متفاوت نشان میدهد که هر کاتالیزگر متفاوت نشان میدهد که هر کاتلیزگر، سبب سرعتبخشی به یکی از واکنشهاست.
- هر کاتالیزگر به شمار معدودی واکنش سرعت میبخشد.
درست، هر کاتالیزگر بسته به شرایط انجام هر واکنش و به شرط واکنش ندادن با سایر مواد موجود در واکنش میتواند به برخی واکنشها سرعت بخشد.
دریافتید که در مسیر گازهای خروجی از خودروها قطعهای قرار میدهند که میتواند باعث حذف یا کاهش آلایندهها شود. مبدل کاتالیستی نامی است که به آن نسبت میدهند. بر روی سطح این قطعه سرامیکی که به شکل توری به کار میرود، فلزهای رودیم (Rh)، پالادیم (Pd) و پلاتین (Pt) نشانده شده است. برای افزایش کارایی مبدل کاتالیستی، گاهی سرامیک را به شکل مِش (دانه)های ریز درمیآورند و کاتالیزگرها را روی سطح آن مینشانند (چرا؟) (شکل 4).
با اینکه مبدل کاتالیستی برای مدت طولانی کار میکند اما پس از مدت معینی کارایی آن کاهش مییابد و دیگر قابل استفاده نیست.
در میان تارنماها (صفحهٔ 101 کتاب درسی)
با مراجعه به منابع معتبر اینترنتی درباره اینکه «سوخت مناسب برای خودروهای مجهز به مبدل کاتالیستی، بنزین بدون سرب است» اطلاعاتی جمعآوری کنید و به کلاس گزارش دهید.
برای بهسوزی بنزین به آن سرب اضافه میکنند. مبدلهای کاتالیستی امکان واکنش با سرب را ندارند. از طرفی سرب فلز واسطه سنگین است که مقادیر غیر مجاز آن میتواند سبب بروز سرطان شود. وجود سرب در بنزین کارایی مبدل کاتالیستی را پایین آورده و عمر مبدل را کوتاه میکند.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 102 کتاب درسی)
1- با وجود مبدل کاتالیستی، در گازهای خروجی از اگزوز خودروها به هنگام روشن و گرم شدن خودرو به ویژه در روزهای سرد زمستان گازهای $C_xH_y$ و $NO$ و $CO$ بیشتری مشاهده میشود.
آ) دلیل این پدیده را توضیح دهید.
بازده این مبدلها کمتر از %100 است و برای انجام واکنشها در سطح آنها نیاز به دمای معینی است. در هنگام روشن کردن موتور خودرو به دلیل دمای پایین کارایی مبدل کاهش مییابد و این اتفاق در زمستان بیشتر رخ میدهد.
ب) چه راهکاری برای برطرف کردن این مشکل پیشنهاد میکنید؟
بهتر است مسیر خروجی گازها و اگزوز را عایق کاری کرد تا از افت دما جلوگیری شود.
2- درباره درستی جملههای زیر گفتوگو کنید.
- کاتالیزگر اغلب اختصاصی و انتخابی عمل میکند.
هر کاتالیزگر برای یک واکنش یا تعداد محدودی از واکنشها مناسب است، بنابراین هر واکنش، کاتالیزگر مخصوص به خود را دارد.
- در حضور کاتالیزگر نباید واکنشهای ناخواسته دیگری انجام شود.
یکی از ویژگیهای کاتالیزگرها در مبدل کاتالیستی این است که نباید باعث انجام واکنش ناخواستهٔ دیگری شوند؛ زیرا در این صورت ممکن است آلایندهٔ جدیدی به وجود آید و یا قطعات مبدل کاتالیستی آسیب وارد شود.
- کاتالیزگر در شرایط انجام واکنش باید پایداری شیمیایی و گرمایی مناسبی داشته باشد.
کاتالیزگر نباید در حضور آلایندهها دچار تغییرات شیمیایی شود، زیرا در ین صورت کارایی خود را از دست میدهد. همچنین کاتالیزگر نباید بر اثر گرما تجزیه شود (پایداری گرمایی داشته باشد).
پی بردید که با استفاده از مبدل کاتالیستی میتوان از ورود آلایندههای تولید شده در خودروهای بنزینی به هواکره جلوگیری کرد. اما بررسیها نشان میدهد که با استفاده از این نوع مبدلها نمیتوان گازهای $NO$ و $N{{O}_{2}}$ خروجی از خودروهای دیزلی را به گاز نیتروژن تبدیل کرد. بنابراین ضروری است برای حل این مسئله، مبدلی نو طراحی کرد. پژوهشگران و مهندسان برای خودروهای دیزلی مبدلی به شکل 5 طراحی کردهاند.
در این مبدل با ورود آمونیاک و انجام واکنش زیر، گازهای $NO$ و $N{{O}_{2}}$ به گاز ${{N}_{2}}$ تبدیل شده و تا حدود زیادی از ورود گازهای $NO$ و $N{{O}_{2}}$ به هواکره جلوگیری میشود.
$NO(g)+N{{O}_{2}}(g)+2N{{H}_{3}}(g)\to 2{{N}_{2}}(g)+3{{H}_{2}}O(g)$
تفکر نقادانه
میدانید که افزایش کربن دیاکسید سبب ایجاد اثر گلخانهای و بالارفتن دمای کره زمین شده است. در نتیجه یخهای قطبی در حال آب شدن هستند. این مسئله سبب خواهد شد تا رفت و آمد کشتیها و همچنین حفاری در اعماق اقیانوس قطب شمال و استخراج سوختهای فسیلی آن منطقه آسانتر شود. بر این اساس عدهای معتقدند که نیازی به کنترل کربن دیاکسید هواکره نیست. این دیدگاه را در کلاس نقد کنید.