پاسخ با هم بیاندیشیم صفحه 100 شیمی دوازدهم

پاسخ تشریحی و گام به گام شیمی دوازدهم صفحه ۱۰۰ - با هم بیندیشیم سلام به شیمی‌دان‌های محیط‌زیست! در این بخش با یکی از مهم‌ترین قطعات خودرو یعنی **مبدل کاتالیستی** آشنا می‌شویم که وظیفه تبدیل گازهای سمی به مواد بی‌خطر را بر عهده دارد. **پاسخ بخش آ (تحلیل فرآورده‌ها):** با توجه به تصویر، گازهای آلاینده پس از عبور از سطح کاتالیزگر در قطعه A به صورت زیر تغییر می‌کنند: * **کربن مونوکسید ($CO$):** به گاز **کربن دی‌اکسید ($CO_{2}$)** تبدیل می‌شود. * **نیتروژن مونوکسید ($NO$):** به گازهای **نیتروژن ($N_{2}$)** و **اکسیژن ($O_{2}$)** تجزیه می‌شود. * **هیدروکربن‌های نسوخته ($C_{x}H_{y}$):** در اثر اکسایش به **کربن دی‌اکسید ($CO_{2}$)** و **بخار آب ($H_{2}O$)** تبدیل می‌شوند. **پاسخ بخش ب (معادلات شیمیایی موازنه شده):** برای حذف این آلاینده‌ها، واکنش‌های زیر روی صفحات کاتالیزگر انجام می‌گیرد: ۱- تبدیل کربن مونوکسید به دی‌اکسید: $$2CO(g) + O_{2}(g) \rightarrow 2CO_{2}(g)$$ ۲- تجزیه نیتروژن مونوکسید: $$2NO(g) \rightarrow N_{2}(g) + O_{2}(g)$$ ۳- سوختن کامل هیدروکربن‌ها (مثلاً اوکتان): $$2C_{8}H_{18}(g) + 25O_{2}(g) \rightarrow 16CO_{2}(g) + 18H_{2}O(g)$$

پاسخ تشریحی و گام به گام شیمی دوازدهم صفحه ۱۰۰ - تمرین ۲ در این تمرین، سد انرژی واکنش‌های داخل اگزوز را بررسی می‌کنیم تا بفهمیم چرا به کاتالیزگر نیاز داریم. **پاسخ بخش آ:** این واکنش‌ها به دلیل داشتن **انرژی فعال‌سازی ($E_{a}$)** بسیار بالا در دماهای پایین انجام نمی‌شوند. حتی اگر واکنش‌ها به شدت گرماده باشند (مثل اکسایش $CO$)، تا زمانی که مولکول‌ها انرژی کافی برای عبور از قله نمودار (سد انرژی) را نداشته باشند، واکنش آغاز نمی‌شود. در دمای پایین، تعداد ذراتی که انرژی جنبشی معادل یا بیشتر از $E_{a}$ دارند بسیار اندک است. **پاسخ بخش ب (استخراج داده‌ها از نمودار):** با توجه به مقادیر درج شده روی پیکان‌های عمودی در نمودارها: **۱- واکنش اکسایش کربن مونوکسید ($2CO + O_{2} \rightarrow 2CO_{2}$):** * **انرژی فعال‌سازی ($E_{a}$):** $334\,kJ$ * **آنتالپی واکنش ($\Delta H$):** $566-\,kJ$ (علامت منفی به دلیل پایین‌تر بودن سطح انرژی فرآورده است). **۲- واکنش تجزیه نیتروژن مونوکسید ($2NO \rightarrow N_{2} + O_{2}$):** * **انرژی فعال‌سازی ($E_{a}$):** $381\,kJ$ * **آنتالپی واکنش ($\Delta H$):** $181-\,kJ$

پاسخ تشریحی و گام به گام شیمی دوازدهم صفحه ۱۰۰ - تمرین ۳ بیایید با اعداد و ارقام، جادوی کاتالیزگر را در کاهش آلودگی هوا ببینیم. **پاسخ بخش آ (نقش قطعه A):** با مقایسه اعداد جدول، مشخص است که قطعه A نقش یک **مبدل کاتالیستی** را دارد که مقدار خروجی آلاینده‌ها را به شدت کاهش می‌دهد. به عنوان مثال، مقدار گاز سمی $CO$ از $۵/۹۹$ گرم به $۰/۶۱$ گرم رسیده است که نشان‌دهنده تبدیل اکثر آن به مواد بی‌خطر است. این قطعه با کاهش **انرژی فعال‌سازی** واکنش‌ها، سرعت تبدیل آلاینده‌ها را در همان زمان کوتاه عبور از اگزوز به شدت بالا می‌برد. **پاسخ بخش ب (بررسی ویژگی کاتالیزگر):** عبارت دوم صحیح است: **«هر کاتالیزگر به شمار معدودی واکنش سرعت می‌بخشد.»** **دلیل علمی:** یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های کاتالیزگرها، **اختصاصی بودن (انتخاب‌گری)** آن‌هاست. هر کاتالیزگر با توجه به ساختار سطحی و چیدمان اتم‌هایش، فقط می‌تواند سد انرژی واکنش‌های خاصی را پایین بیاورد. در مبدل خودرو نیز از مخلوطی از فلزات گران‌بها (مانند پلاتین، پالادیم و رودیم) استفاده می‌شود، زیرا هر کدام از این فلزات در کاتالیز کردن یکی از واکنش‌های اکسایش یا کاهش تخصص دارند.