高中化学鲁科版 (2019)必修 第一册第3章 物质的性质与转化微项目 论证重污染天气“汽车限行”的合理性——探讨社会性科学议题导学案

微项目　论证重污染天气“汽车限行”的合理性

　　　　——探讨社会性科学议题

【素养解读】

1．能够综合应用氮及其化合物的性质及转化关系探讨相关的社会性科学议题。

2．在寻求证据支持观点的过程中，能够综合运用信息查找、问卷调查、访谈等多种方法获得必要资料；能够对资料进行加工分析，依据观点、证据和结论之间的逻辑关系进行有条理的阐述，逐步培养“科学态度与社会责任”的学科核心素养。

3．能够从科学、环境、经济、社会等多个方面，权衡不同观点的利与弊，有依据地作出决策。

[项目情境]

人类社会进入二十世纪八十年代以来，人们越来越关心环境问题。我们在享受科学技术迅速发展带来物质文明的同时，也因以牺牲环境为代价，而受到大自然的一次次报复，如雾霾天气等。为了应对重污染天气把空气污染指数控制在合理范围内，北京、广州等多个城市采取了“汽车限行”措施，以期降低机动车尾气排放量。人们逐渐意识到：保护环境，就是保护人类赖以生存的空间。

[探究问题]

1．目前大气中氮氧化物的主要来源是什么？它们对人类健康的危害表现在哪些方面？氮氧化物还会引起哪些环境问题？

[提示]　大气中氮氧化物主要来自汽车尾气，硝酸生产、金属的冶炼等工业排放的尾气。氮氧化物中NO和NO2的毒性较强，NO2作用于深部呼吸道，对肺组织产生强烈刺激和腐蚀作用，可引发肺水肿、支气管炎等肺部疾病，NO可与血红蛋白结合，使其失去携带氧气的能力，致组织缺氧，中枢神经系统受损等。以NO和NO2为主的氮氧化物还是形成电化学烟雾、酸雨、臭氧空洞和雾霾的一个重要原因。

2．汽车尾气中含有氮氧化物是如何产生的？汽车尾气中还有哪些有害物质？

[提示]　汽车汽缸中N2和O2在电火花放电时反应生成NO，继而转化成其他种类的氮氧化物。汽车尾气中还含有多种有害气体，主要有烃的不完全燃烧产物一氧化碳，汽油中的硫元素被氧化生成的SO2等。

3．调查目前治理汽车尾气污染的方法有哪些？各方法有什么优缺点？

[提示]　方法一：在汽车排气管装上催化转化器，使NO或NO2与CO反应生成N2和CO2，原理：2CO＋2NO 2CO2＋N2、4CO＋2NO2 4CO2＋N2。

优点：使有害气体在通常状况下，转化为可参与大气循环的无毒气体。

缺点：(1)不能使有害气体全部转化为无害物质；(2)加速尾气中SO2向SO3的转化，使排出的废气酸度升高；(3)使用的催化剂容易中毒，失去作用。

方法二：汽车限行

优点：(1)减少有害气体的排放；(2)缓解道路交通压力；

(3)促使人们购买第二辆汽车，促进经济发展。

缺点：(1)增加公共交通压力；(2)导致人们出行不便；(3)导致汽车保有量增加。

4．金属的冶炼、硝酸的生产、煤和石油的燃烧等排放的尾气中均含有大量的氮氧化物，请从物质类别和化合价的视角思考消除污染、保护环境的方法。

[提示]　方法一：碱液吸收法

NO＋NO2＋2NaOH===2NaNO2＋H2O；

2NO2＋2NaOH===NaNO3＋NaNO2＋H2O。

方法二：NH3还原法

6NO＋4NH35N2＋6H2O；

6NO2＋8NH37N2＋12H2O。

[反思归纳]

科学分析议题，厘清议题中相关的科学问题和科学知识

1．“汽车限行”议题的科学问题

汽车尾气中含有氮的化合物：NO、NO2、NH3；雾霾中含有：硝酸盐(NO)、铵盐(NH)。

2．氮及其化合物之间的转化关系

N2NONO2HNO3

(1)化合价角度：如N2转化为NO，氮元素化合价升高，应加化合价降低的氧化剂。

(2)物质类别角度：如单质转化为氧化物，根据元素守恒，应加含氧元素的物质。

[能力达成]

1．光化学烟雾是一次污染物(如氮氧化物、碳氢化合物等)发生光化学反应后生成的二次污染物，主要含有臭氧、过氧硝酸酯等。下列有关光化学烟雾的说法不正确的是(　　)

A．光化学烟雾具有氧化性

B．汽车尾气是造成光化学烟雾的主要原因之一

C．光化学烟雾对人体没有危害

D．光化学烟雾一般出现在强日照条件下

C　[光化学烟雾中氮氧化物化合价可以降低，做氧化剂，A正确；汽车尾气中含CO和氮氧化物，二者在强日照的作用下起化学反应产生光化学烟雾，故B、D正确；光化学烟雾对人眼睛、鼻、咽喉、气管和肺等有刺激作用，对人体有危害，故C错误。]

2．如图表示汽车尾气净化器处理汽车尾气的过程。有关叙述不正确的是(　　)

A．CO氧化为CO2所需氧来源于NOx

B．汽车安装这种净化器后，能避免铅污染

C．Pt­Rh催化剂化学反应前后质量不变

D．使用该净化器能减少酸雨的发生

B　[由题目的信息可知，CO氧化为CO2所需的氧来源于氮的氧化物，A项正确；汽车安装这种净化器后，能避免一氧化碳、氮的氧化物造成的空气污染，但不能避免铅污染，B项错误；Pt­Rh催化剂在化学反应前后质量和化学性质都不变，C项正确；氮的氧化物也会造成酸雨，因此使用该净化器能减少酸雨的发生，D项正确。]

3．三效催化剂是最为常见的汽车尾气催化剂，在催化剂表面物质转化的关系如图所示，下列说法正确的是(　　)

A．在转化过程中，氮元素均被还原

B．依据图示判断催化剂不参与储存和还原过程

C．还原过程中生成0.1 mol N2，转移电子数为0.5NA

D．三效催化剂能有效实现CO、NOx及CxHy的净化

D　[在储存过程中，氮元素被氧化生成硝酸钡，所以A项错误；BaO做催化剂，参与反应过程，所以B项错误；由硝酸钡生成氮气，N由＋5价变为0价，因此生成0.1 mol N2转移1 mol电子，所以C项错误；由图示可知，三效催化剂能有效实现CO、NOx和CxHy三种成分的净化，所以D项正确。]

1．下列现象的产生，与氮循环无关的是(　　)

A．光化学烟雾　　 B．白色污染

C．水体富营养化   D．酸雨

B　[光化学烟雾是氮的氧化物和有机烃类在光作用下的一系列复杂变化，与氮循环有关；白色污染是指难降解的塑料垃圾(多指塑料袋)对环境的污染；水体富营养化是指水中的氮、磷等元素浓度过大造成的水污染，会导致藻类疯长，从而引起水中缺氧，导致水生生物大量死亡，与氮循环有关；酸雨是二氧化硫和氮氧化物与雨水作用的结果，与氮循环有关。]

2．汽车排放的尾气中含有NO2，NO2是城市大气污染的主要污染物之一。在日光照射下，NO2发生一系列光化学烟雾的循环反应，从而不断产生O3，加重空气污染。反应过程为①2NO2―→2NO＋2O，②2NO＋O2―→2NO2，③O＋O2―→O3。下列对该反应过程及生成物叙述正确的是(　　)

A．NO2只起催化剂作用   B．NO起催化剂作用

C．NO2只起氧化剂作用   D．O3与O2为同素异形体

D　[反应过程①＋②得O2―→2O，③O＋O2―→O3，NO2起催化剂作用，反应过程中NO2还做氧化剂，A、B、C项错误；O3与O2属于同素异形体，D项正确。]

3．当前，汽车尾气已成为许多城市空气的主要污染源。研究表明，含TiO2的混凝土或沥青可以部分消除汽车尾气中的氮氧化物，其原理如下：

下列关于该“消除”过程的叙述不正确的是(　　)

A．部分光能转变为化学能

B．消除总变化为NOx＋O2＋H2O―→HNO3

C．消除反应能全天候发生

D．使用纳米TiO2的消除效率更高

C　[在TiO2的催化作用下紫外线提供能量，部分光能转变为化学能，故A项正确，不符合题意；题中示意图表明，在TiO2的催化作用下紫外线提供能量，发生反应：NOx＋O2＋H2O―→HNO3，故B项正确，不符合题意；没有紫外线时上述反应不能发生，故C项错误，符合题意；纳米TiO2与紫外线接触面积更大，将产生更多的光生电子和光生空穴，从而消除更多的NOx，故D项正确，不符合题意。]

4．SO2废气的回收利用方案如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．废气与氨水混合一定发生反应2NH3·H2O＋SO2===2NH＋SO＋H2O

B．Y中含有NH4HSO3

C．气体a既有氧化性又有还原性

D．(NH4)2S2O8是一种纯净物

B　[废气用氨水吸收一定发生反应2NH3·H2O＋SO2===2NH＋SO＋H2O，所以A项正确；(NH4)2SO3与过量H2SO4反应生成(NH4)2SO4、SO2和H2O，Y为(NH4)2SO4和过量的H2SO4，不含NH4HSO3，所以B项错误；气体a为SO2，SO2中S元素的化合价为＋4价，既有氧化性又有还原性，所以C项正确；(NH4)2S2O8是一种化合物，属于纯净物，D项正确。]

5．我国“蓝天保卫战”成果显著，肆虐的雾霾逐渐被遏止。科学家研究发现含氮化合物和含硫化合物在形成雾霾时与大气中的氨有关，转化关系如图所示：

回答下列问题：

(1)从物质分类的角度看，图中的物质属于酸性氧化物的有________________(写化学式)。

(2)图中物质溶于水溶液呈碱性的是________。

(3)写出SO2转化为SO3的化学方程式_________________________。

(4)工业上利用氨气制备一氧化氮，反应的化学方程式为

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________。

(5)实验室长期保存浓硝酸，需使用棕色试剂瓶，并放置在阴凉处，其原因为_______________________________________________________________

____________________________________________(用化学方程式表示)。

(6)氨气与一氧化氮(NO)在一定条件下反应可生成对空气无污染的物质，该反应的化学方程式为_________________________________________________。

[解析]　(1)酸性氧化物是能与碱反应得到盐和水的氧化物，符合要求的有SO2、SO3和N2O5。

(2)图中物质溶于水呈碱性的只有NH3。

(3)二氧化硫在催化剂存在时可以转化为三氧化硫：2SO2＋O2 2SO3。

(4)氨气经催化氧化可以形成一氧化氮：4NH3＋5O24NO＋6H2O。

(5)浓硝酸见光或受热时易发生分解反应4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O，因此要保存在棕色试剂瓶中。

(6)氨气中的氮为－3价，一氧化氮中的氮为＋2价，因此二者可以在一定条件下发生归中反应得到氮气：6NO＋4NH35N2＋6H2O。

[答案]　(1)SO2、SO3、N2O5　(2)NH3　(3)2SO2＋O2 2SO3　

(4)4NH3＋5O24NO＋6H2O

(5)4HNO34NO2↑＋O2↑＋2H2O　(6)6NO＋4NH35N2＋6H2O