Mục lục bài họcĐang ở d10-b1
Air, water and the main pollutants
Composition of clean dry air
About 78% nitrogen, 21% oxygen, and small amounts of argon, carbon dioxide and other gases. Carbon dioxide is only about $0.04\%$ — a tiny fraction, which is why a small change in it matters so much.
Three pollutants you must know completely
Each needs three things: where it comes from, what harm it does, and how it is removed.
| pollutant | source | harm |
| carbon monoxide $\ce{CO}$ | incomplete combustion of fuels | toxic — binds to haemoglobin so blood cannot carry oxygen |
| oxides of nitrogen $\ce{NO}$, $\ce{NO2}$ | nitrogen and oxygen combining in the heat of a car engine | acid rain and breathing problems |
| sulfur dioxide $\ce{SO2}$ | burning fossil fuels that contain sulfur | acid rain |
Catalytic converters
Fitted to car exhausts, they convert the two exhaust pollutants into harmless gases:
$$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$$This one reaction removes both pollutants at once, which is why it is the standard example.
Complete and incomplete combustion
$$\text{complete:}\quad \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$$$$\text{incomplete:}\quad \ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}$$Incomplete combustion happens when there is a limited supply of oxygen. It produces carbon monoxide and carbon (soot), and releases less energy. The danger is that $\ce{CO}$ is colourless and odourless — a faulty gas heater in a closed room can kill without any warning.
Water
Water is treated by filtration to remove solids and chlorination to kill bacteria. The test for water is that anhydrous copper(II) sulfate turns from white to blue, but this only shows water is present. To show water is pure, check that it boils at exactly $100^{\circ}$C and freezes at exactly $0^{\circ}$C.
Thành phần không khí khô sạch. Khoảng 78% nitơ, 21% oxy, cùng một lượng nhỏ argon, cacbon đioxit và vài khí khác. Cacbon đioxit chỉ chiếm khoảng $0{,}04\%$ — một tỉ lệ rất nhỏ, và chính vì nhỏ như thế mà một thay đổi nhỏ của nó lại có ý nghĩa lớn.
Ba chất ô nhiễm phải thuộc đầy đủ. Mỗi chất cần ba thứ: từ đâu ra, gây hại gì, và xử lý thế nào.
- Cacbon monoxit $\ce{CO}$ — sinh ra từ sự cháy không hoàn toàn của nhiên liệu. Nó độc: nó gắn vào hemoglobin nên máu không chở được oxy nữa.
- Các oxit của nitơ $\ce{NO}$, $\ce{NO2}$ — sinh ra khi nitơ và oxy trong không khí kết hợp dưới nhiệt độ cao của động cơ xe. Gây mưa axit và bệnh hô hấp.
- Lưu huỳnh đioxit $\ce{SO2}$ — sinh ra khi đốt nhiên liệu hoá thạch có chứa lưu huỳnh. Gây mưa axit.
Bộ chuyển đổi xúc tác. Lắp ở ống xả xe hơi, nó biến hai chất ô nhiễm trong khí thải thành hai khí vô hại:
$$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$$Chỉ một phản ứng này loại được cả hai chất cùng lúc — đó là lý do nó là ví dụ chuẩn của đề thi.
Cháy hoàn toàn và cháy không hoàn toàn.
$$\text{hoàn toàn:}\quad \ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$$$$\text{không hoàn toàn:}\quad \ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}$$Cháy không hoàn toàn xảy ra khi thiếu oxy. Nó sinh ra cacbon monoxit và cacbon (muội than), và toả ra ít năng lượng hơn.
Điều nguy hiểm là $\ce{CO}$ không màu, không mùi — một bình nóng lạnh dùng gas bị hỏng trong phòng kín có thể gây chết người mà không có dấu hiệu báo trước nào.
Nước. Nước được xử lý bằng lọc để loại chất rắn và khử trùng bằng clo để diệt vi khuẩn.
Phép thử nước là đồng(II) sunfat khan chuyển từ trắng sang xanh — nhưng nó chỉ cho biết có nước. Muốn chứng minh nước tinh khiết, phải kiểm rằng nó sôi ở đúng $100^{\circ}$C và đông đặc ở đúng $0^{\circ}$C.
(a) Viết phương trình cho sự cháy hoàn toàn và sự cháy không hoàn toàn của metan. (b) Nêu điều kiện dẫn tới cháy không hoàn toàn. (c) Giải thích vì sao cacbon monoxit đặc biệt nguy hiểm trong nhà.
(a) Cháy hoàn toàn — đủ oxy:
$$\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}$$Cháy không hoàn toàn — thiếu oxy:
$$\ce{2CH4 + 3O2 -> 2CO + 4H2O}$$(Nếu thiếu oxy nhiều hơn nữa thì sinh ra cả muội than — cacbon nguyên chất.)
(b) Cháy không hoàn toàn xảy ra khi nguồn cung oxy bị hạn chế — phòng kín, ống thông gió bị tắc, hoặc thiết bị đốt được điều chỉnh sai.
Dấu hiệu nhận ra được: ngọn lửa chuyển từ xanh lam sang vàng cam và bắt đầu bám muội đen lên đáy nồi. Ngọn lửa vàng là ngọn lửa thiếu oxy.
(c) Ba lý do cộng lại.
Một — nó độc. Cacbon monoxit gắn vào hemoglobin trong máu, và gắn chặt hơn oxy rất nhiều. Máu vì thế không chở được oxy tới các cơ quan nữa.
Hai — không có cảnh báo nào. $\ce{CO}$ không màu và không mùi. Khác với gas rò rỉ (được pha thêm chất tạo mùi), người trong phòng không thể phát hiện nó bằng giác quan.
Ba — triệu chứng đánh lừa. Nạn nhân thấy đau đầu và buồn ngủ — những dấu hiệu dễ bị hiểu là mệt bình thường, nên họ đi ngủ thay vì mở cửa.
Ba điều này cộng lại là lý do máy báo $\ce{CO}$ được lắp bắt buộc ở nhiều nước, và vì sao thiết bị đốt gas phải có ống thoát khí ra ngoài.
Một bộ chuyển đổi xúc tác trên ống xả xe hơi làm giảm lượng cacbon monoxit và oxit nitơ thải ra. (a) Viết phương trình xảy ra. (b) Giải thích vì sao đây là một phản ứng oxi hoá khử. (c) Giải thích vì sao bộ chuyển đổi không giải quyết được vấn đề lưu huỳnh đioxit.
(a)
$$\ce{2CO + 2NO -> 2CO2 + N2}$$Cả hai sản phẩm đều là khí có sẵn trong không khí bình thường — cacbon đioxit và nitơ — nên hai chất ô nhiễm được loại cùng lúc.
(b) $\ce{CO}$ nhận oxy để thành $\ce{CO2}$, nên nó bị oxi hoá. $\ce{NO}$ mất oxy để thành $\ce{N2}$, nên nó bị khử.
Có cả oxi hoá lẫn khử trong cùng một phản ứng, nên đây là phản ứng oxi hoá khử. Chú ý cách gọi tên: $\ce{CO}$ bị oxi hoá nên nó là chất khử, còn $\ce{NO}$ bị khử nên nó là chất oxi hoá.
(c) Vì sao lưu huỳnh đioxit không xử lý được ở đây. Nguồn gốc của nó khác hẳn hai chất kia.
$\ce{CO}$ và $\ce{NO}$ hình thành trong buồng đốt từ nhiên liệu và từ không khí, nên chúng có mặt trong khí thải ở dạng có thể phản ứng với nhau.
$\ce{SO2}$ thì đến từ lưu huỳnh có sẵn trong nhiên liệu. Nó không có chất nào trong khí thải để phản ứng cặp đôi như $\ce{CO}$ với $\ce{NO}$.
Vì thế cách xử lý phải nằm ở chỗ khác: loại lưu huỳnh khỏi nhiên liệu trước khi đốt (đó là lý do có xăng và dầu diesel “lưu huỳnh thấp”), hoặc lắp thiết bị hấp thụ khí thải bằng vôi ở ống khói nhà máy điện.
Ý cần rút ra: giải pháp cho một chất ô nhiễm phụ thuộc nó sinh ra ở đâu, không chỉ phụ thuộc nó là chất gì.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Chemistry of the Environment gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.