🚗

Καυσαέρια & Καταλύτες Αυτοκινήτων

Ρύποι της εξάτμισης, καταλυτικός μετατροπέας, αμόλυβδη

Τι κάνει ο «καταλύτης» κάτω από το αυτοκίνητό σου;

Ανάμεσα στον κινητήρα και την εξάτμιση υπάρχει ένα μεταλλικό κουτί γεμάτο λεπτούς διαύλους. Μέσα του, όσο περνούν τα καυσαέρια, το δηλητηριώδες $CO$ γίνεται $CO_2$ , τα άκαυστα καύσιμα γίνονται νερό και $CO_2$ , και τα οξείδια του αζώτου γίνονται ακίνδυνο άζωτο. Εδώ μαθαίνεις τι βγαίνει από μια εξάτμιση και πώς ο καταλυτικός μετατροπέας το «καθαρίζει».

Τι βγαίνει από την εξάτμιση

Κατά την καύση η χημική ενέργεια γίνεται θερμική και δεν μπορεί να αξιοποιηθεί ολόκληρη για έργο — οι αποδόσεις δεν ξεπερνούν περίπου το $40\%$ . Τα αυτοκίνητα δουλεύουν με την αναλογία αέρα–βενζίνης που δίνει τη μέγιστη απόδοση, όμως ταυτόχρονα παράγουν ρύπους.

Τα καυσαέρια περιέχουν κυρίως $N_2$ , $CO_2$ , $H_2O$ (υδρατμούς), $O_2$ , καθώς και άκαυστους υδρογονάνθρακες, $CO$ , οξείδια του αζώτου ( $NO$ , $NO_2$ ) και λίγο $SO_2$ .

Σχετικά αδρανή (μη τοξικά): $N_2$ , $O_2$ , $H_2O$ , $CO_2$
Περιβαλλοντικοί ρύποι: $CO$ , $NO$ , $NO_2$ , $SO_2$ , άκαυστοι υδρογονάνθρακες

Οι επιπτώσεις

$CO_2$ : δεν είναι τοξικό, αλλά ενισχύει το φαινόμενο του θερμοκηπίου — επιτρέπει στην ηλιακή ακτινοβολία να περνά, αλλά εμποδίζει τη διαφυγή της θερμικής ακτινοβολίας της Γης.
$CO$ («σιωπηλός δολοφόνος»: άχρωμο, άοσμο, άγευστο): δεσμεύει την αιμοσφαιρίνη του αίματος και εμποδίζει τη μεταφορά οξυγόνου στους ιστούς — μπορεί να προκαλέσει θάνατο.
Οξείδια του αζώτου ( $NO$ , $NO_2$ ): προκαλούν φωτοχημικό νέφος, όξινη βροχή και σχηματισμό όζοντος στα χαμηλά στρώματα της ατμόσφαιρας (τροπόσφαιρα).

Ο καταλυτικός μετατροπέας

Καταλύτες είναι ουσίες που επιταχύνουν μια αντίδραση χωρίς να αλλοιώνονται οι ίδιοι. Οι στερεοί καταλύτες είναι πιο αποτελεσματικοί όταν έχουν μορφή λεπτών κόκκων (μεγάλη επιφάνεια).

Ο καταλυτικός μετατροπέας του αυτοκινήτου περιέχει ευγενή μέταλλα (λευκόχρυσο $Pt$ , ρόδιο $Rh$ , παλλάδιο $Pd$ ) πάνω σε κεραμικό υπόστρωμα με επίστρωση αλουμίνας ( $Al_2O_3$ ), μέσα σε κέλυφος από ανοξείδωτο χάλυβα. Μετατρέπει τους επικίνδυνους ρύπους σε αβλαβή αέρια:

Οξειδώσεις (π.χ. με $Pt$ ή $Pd$ ): $CO \rightarrow CO_2$ και άκαυστοι $C_xH_y \rightarrow CO_2 + H_2O$
Αναγωγή (π.χ. με $Rh$ ): $NO_x \rightarrow N_2$ (και $O_2$ )

Γιατί αμόλυβδη βενζίνη; Ο μόλυβδος (α) σχηματίζει κράματα με τα ευγενή μέταλλα και δηλητηριάζει (απενεργοποιεί) τον καταλύτη και (β) φράζει τους διαύλους του κεραμικού υποστρώματος, ώστε τα καυσαέρια να μη φτάνουν στον καταλύτη.

Ήξερες ότι;

Οι καταλυτικοί μετατροπείς περιέχουν μικρές ποσότητες ευγενών μετάλλων — λευκόχρυσο, παλλάδιο και ρόδιο — απλωμένων σε λεπτό στρώμα πάνω σε κεραμικό υπόστρωμα. Αυτά τα μέταλλα είναι τόσο ακριβά που οι καταλύτες των αυτοκινήτων έχουν γίνει συχνός στόχος κλοπών.

$2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2 \qquad C_xH_y + \left(x + \frac{y}{4}\right)O_2 \rightarrow xCO_2 + \frac{y}{2}H_2O \qquad 2NO \rightarrow N_2 + O_2$

Κόλπο μνήμης

Ο καταλύτης «καθαρίζει» τρεις ρύπους: $CO \rightarrow CO_2$ , $C_xH_y \rightarrow CO_2 + H_2O$ , $NO \rightarrow N_2$ . Θυμήσου: «δύο παίρνουν οξυγόνο, ένας το δίνει» — το $CO$ και οι υδρογονάνθρακες οξειδώνονται, το $NO$ χάνει το οξυγόνο του.

Άσκηση: Ο καταλύτης ενός αυτοκινήτου οξειδώνει $5{,}6\ g$ $CO$ . Πόσο $O_2$ (STP) καταναλώνεται και πόσα g $CO_2$ σχηματίζονται;

Λύση: $n_{CO} = \frac{5{,}6}{28} = 0{,}2\ mol$ . Από $2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2$ :

$n_{O_2} = 0{,}1\ mol \Rightarrow V = 2{,}24\ L \qquad n_{CO_2} = 0{,}2\ mol \Rightarrow m = 8{,}8\ g$

Άσκηση: Στον καταλύτη διασπώνται $6\ g$ $NO$ . Πόσα λίτρα $N_2$ (STP) και πόσα g $O_2$ σχηματίζονται; ( $M_r$ $NO$ = 30)

Λύση: $n_{NO} = \frac{6}{30} = 0{,}2\ mol$ . Από $2NO \rightarrow N_2 + O_2$ : $n_{N_2} = n_{O_2} = 0{,}1\ mol$ .

$V_{N_2} = 0{,}1 \cdot 22{,}4 = 2{,}24\ L \qquad m_{O_2} = 0{,}1 \cdot 32 = 3{,}2\ g$

Το $NO$ ανάγεται σε $N_2$ : ο αριθμός οξείδωσης του N πέφτει από $+2$ σε $0$ .

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο από τα παρακάτω συστατικά των καυσαερίων δεν χαρακτηρίζεται περιβαλλοντικός ρύπος;

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Σε ένα δείγμα καυσαερίων υπάρχουν $0{,}2\ mol$ $CO$ και $0{,}02\ mol$ άκαυστου οκτανίου $C_8H_{18}$ , που οξειδώνονται πλήρως στον καταλυτικό μετατροπέα.

Δεδομένα: $n_{CO} = 0{,}2\ mol$ , $n_{C_8H_{18}} = 0{,}02\ mol$ .

Ζητούμενα: (α) ο όγκος $O_2$ (STP) που καταναλώνεται, (β) η μάζα του $CO_2$ που σχηματίζεται.

Λύση:

$2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2 \qquad 2C_8H_{18} + 25O_2 \rightarrow 16CO_2 + 18H_2O$

(Έλεγχος οκτανίου: C $16 = 16$ , H $36 = 36$ , O $50 = 32 + 18$ ✓)

(α) $n_{O_2} = \frac{0{,}2}{2} + 0{,}02 \cdot \frac{25}{2} = 0{,}1 + 0{,}25 = 0{,}35\ mol \Rightarrow V = 0{,}35 \cdot 22{,}4 = 7{,}84\ L$

(β) $n_{CO_2} = 0{,}2 + 0{,}02 \cdot 8 = 0{,}36\ mol \Rightarrow m = 0{,}36 \cdot 44 = 15{,}84\ g$

Απάντηση: (α) $7{,}84\ L$ $O_2$ , (β) $15{,}84\ g$ $CO_2$ .

Γρήγορος έλεγχος

Γιατί στα αυτοκίνητα με καταλύτη χρησιμοποιείται μόνο αμόλυβδη βενζίνη;

Γρήγορος έλεγχος

Στον καταλυτικό μετατροπέα το $NO$ :

Γρήγορος έλεγχος

Το $CO$ είναι επικίνδυνο για τον άνθρωπο επειδή:

Πρόκληση

ο ένας ρύπος καθαρίζει τον άλλο. Στον καταλύτη το $CO$ και το $NO$ μπορούν να αντιδράσουν μεταξύ τους: $2CO + 2NO \rightarrow 2CO_2 + N_2$ . Ένα δείγμα καυσαερίων περιέχει $0{,}4\ mol$ $CO$ και $0{,}3\ mol$ $NO$ . (α) Ποιος ρύπος περισσεύει και πόσος; (β) Πόσα λίτρα $N_2$ (STP) σχηματίζονται; (γ) Πόσα λίτρα $O_2$ (STP) χρειάζονται για να οξειδωθεί ό,τι περίσσεψε;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

Έλεγχος ισοστάθμισης: $C$ $2 = 2$ , $N$ $2 = 2$ , $O$ $2 + 2 = 4 = 2 \cdot 2$ ✓

(α) Αναλογία $CO : NO = 1 : 1$ . Τα $0{,}3\ mol$ $NO$ αντιδρούν με $0{,}3\ mol$ $CO$ · περισσεύουν $0{,}4 - 0{,}3 = 0{,}1\ mol$ $CO$ . Περιοριστικό είναι το $NO$ .

(β) $n_{N_2} = \frac{0{,}3}{2} = 0{,}15\ mol$ → $V = 0{,}15 \cdot 22{,}4 = 3{,}36\ L$ .

(γ) $2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2$ : $n_{O_2} = \frac{0{,}1}{2} = 0{,}05\ mol$ → $V = 1{,}12\ L$ .

Απάντηση: (α) περισσεύουν $0{,}1\ mol$ $CO$ , (β) $3{,}36\ L$ $N_2$ , (γ) $1{,}12\ L$ $O_2$ .

Συνηθισμένα λάθη

«Ο καταλύτης καταναλώνεται». Ο καταλύτης επιταχύνει την αντίδραση και δεν αλλοιώνεται· δεν γράφεται ως αντιδρών.
Όλα τα αέρια της εξάτμισης είναι ρύποι. Τα $N_2$ , $O_2$ , $H_2O$ δεν είναι· το $CO_2$ δεν είναι τοξικό, αλλά είναι αέριο του θερμοκηπίου.
Ο καταλυτικός μετατροπέας μειώνει το $CO_2$ . Αντίθετα, αυξάνει ελαφρά το $CO_2$ , γιατί μετατρέπει $CO$ και άκαυστους υδρογονάνθρακες σε $CO_2$ .

Σύνοψη — τι κρατάμε

Ρύποι εξάτμισης: $CO$ , $NO$ , $NO_2$ , $SO_2$ , άκαυστοι υδρογονάνθρακες· αδρανή: $N_2$ , $O_2$ , $H_2O$ , $CO_2$ .
$CO$ : δεσμεύει την αιμοσφαιρίνη· $NO_x$ : φωτοχημικό νέφος, όξινη βροχή, τροποσφαιρικό όζον· $CO_2$ : θερμοκήπιο.
Καταλυτικός μετατροπέας ( $Pt$ , $Rh$ , $Pd$ ): $CO \rightarrow CO_2$ , $C_xH_y \rightarrow CO_2 + H_2O$ , $2NO \rightarrow N_2 + O_2$ .
Αμόλυβδη βενζίνη: ο μόλυβδος δηλητηριάζει τον καταλύτη και φράζει τους διαύλους του.

Τι βγαίνει από την εξάτμιση

Κατά την καύση η χημική ενέργεια γίνεται θερμική και δεν μπορεί να αξιοποιηθεί ολόκληρη για έργο — οι αποδόσεις δεν ξεπερνούν περίπου το

40\%

. Τα αυτοκίνητα δουλεύουν με την αναλογία αέρα–βενζίνης που δίνει τη μέγιστη απόδοση, όμως ταυτόχρονα παράγουν ρύπους.

Τα καυσαέρια περιέχουν κυρίως

N_2

CO_2

H_2O

(υδρατμούς),

O_2

, καθώς και άκαυστους υδρογονάνθρακες,

CO

, οξείδια του αζώτου (

NO

NO_2

) και λίγο

SO_2

Σχετικά αδρανή (μη τοξικά):

N_2

O_2

H_2O

CO_2

Περιβαλλοντικοί ρύποι:

CO

NO

NO_2

SO_2

, άκαυστοι υδρογονάνθρακες