Номер 9, страница 294 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

9. У транспортных магистралей с интенсивным движением автотранспорта ощущается запах диоксида азота. Объясните источник его возникновения. Примите к сведению, что в бензине не содержатся соединения азота, а в цилиндре автомобильного двигателя достигается высокое давление и температура. Ощущение запаха $NO_2$ начинается при его содержании $8 \text{ мг/м}^3$ в воздухе. Рассчитайте объёмную долю $NO_2$, соответствующую этой его концентрации.

Объясните источник его возникновения.

Источник диоксида азота ($NO_2$) в выхлопных газах автомобилей — это атмосферный воздух, который засасывается в цилиндры двигателя внутреннего сгорания для сжигания топлива. Воздух состоит примерно на 78% из азота ($N_2$) и на 21% из кислорода ($O_2$). В обычных условиях азот является химически инертным газом и не вступает в реакцию с кислородом.

Однако в цилиндрах автомобильного двигателя в процессе сгорания топливно-воздушной смеси создаются экстремальные условия: очень высокая температура (свыше 1200 °C) и высокое давление. При таких условиях прочная тройная связь в молекуле азота разрывается, и он вступает в реакцию с кислородом воздуха. В результате образуется оксид азота(II): $$N_2 + O_2 \leftrightarrows 2NO$$

Этот оксид азота(II) ($NO$), являясь одним из компонентов выхлопных газов, выбрасывается в атмосферу. Уже в атмосфере он быстро окисляется кислородом воздуха до диоксида азота ($NO_2$): $$2NO + O_2 \rightarrow 2NO_2$$

Именно диоксид азота, который является газом бурого цвета с резким, удушливым запахом, и ощущается вблизи транспортных магистралей. Таким образом, несмотря на то, что в бензине не содержится соединений азота, оксиды азота образуются непосредственно в двигателе из газов, составляющих воздух.

Ответ: Источником диоксида азота является реакция между азотом и кислородом из воздуха, которая протекает при высокой температуре и давлении в цилиндрах автомобильных двигателей.

Рассчитайте объёмную долю NO₂, соответствующую этой его концентрации.

Дано:

Массовая концентрация $NO_2$ в воздухе ($C_m$) = 8 мг/м³

Перевод в СИ:

$C_m = 8 \text{ мг/м}^3 = 8 \times 10^{-3} \text{ г/м}^3 = 8 \times 10^{-6} \text{ кг/м}^3$

Найти:

Объёмная доля $NO_2$ ($\phi$)

Решение:

Объёмная доля ($\phi$) вещества в газовой смеси — это отношение объёма, занимаемого этим веществом, к общему объёму смеси. Для расчётов примем, что газы ведут себя как идеальные, и будем рассматривать условия, близкие к нормальным (н.у.). $$ \phi(NO_2) = \frac{V(NO_2)}{V(\text{воздуха})} $$ Рассмотрим объём воздуха $V(\text{воздуха}) = 1\ \text{м}^3$.

1. Найдём массу $NO_2$ в 1 м³ воздуха. Согласно условию, она составляет: $$ m(NO_2) = 8\ \text{мг} = 0.008\ \text{г} $$

2. Рассчитаем молярную массу диоксида азота ($NO_2$): $$ M(NO_2) = M(N) + 2 \cdot M(O) = 14.01\ \text{г/моль} + 2 \cdot 16.00\ \text{г/моль} = 46.01\ \text{г/моль} $$

3. Найдём количество вещества $NO_2$ (в молях), содержащееся в 1 м³ воздуха: $$ n(NO_2) = \frac{m(NO_2)}{M(NO_2)} = \frac{0.008\ \text{г}}{46.01\ \text{г/моль}} \approx 0.0001739\ \text{моль} $$

4. Рассчитаем объём, который занимает данное количество $NO_2$ при нормальных условиях (температура 0 °C, давление 1 атм). Молярный объём идеального газа при н.у. ($V_m$) равен 22.4 л/моль или 0.0224 м³/моль. $$ V(NO_2) = n(NO_2) \cdot V_m = 0.0001739\ \text{моль} \cdot 0.0224\ \text{м}^3/\text{моль} \approx 0.000003895\ \text{м}^3 $$

5. Теперь можем рассчитать объёмную долю $NO_2$, разделив его объём на общий объём воздуха (1 м³): $$ \phi(NO_2) = \frac{V(NO_2)}{V(\text{воздуха})} = \frac{0.000003895\ \text{м}^3}{1\ \text{м}^3} \approx 3.9 \cdot 10^{-6} $$ Объёмную долю также можно выразить в процентах (%) или в миллионных долях (ppm - parts per million). $$ \phi(NO_2) \approx 3.9 \cdot 10^{-6} \cdot 100\% = 0.00039\% $$ $$ \phi(NO_2) \approx 3.9 \cdot 10^{-6} \cdot 10^6\ \text{ppm} = 3.9\ \text{ppm} $$

Ответ: Объёмная доля $NO_2$, соответствующая концентрации 8 мг/м³, составляет примерно $3.9 \cdot 10^{-6}$ (или 0.00039%).