基于元素觀的NOx脫硝處理專題復(fù)習(xí)

韓建豐 高凌蕊

(1.北京市廣渠門(mén)中學(xué);2.首都師范大學(xué)第二附屬中學(xué))

元素化合物是高考化學(xué)試題的直接考點(diǎn)和融合化學(xué)反應(yīng)原理、結(jié)構(gòu)化學(xué)等知識(shí)的載體。元素化合物的考查具有內(nèi)容豐富、情境真實(shí)、鏈接前沿等特點(diǎn),基于元素觀的建構(gòu)與應(yīng)用有助于學(xué)生真正掌握、理解、解決相關(guān)問(wèn)題。依據(jù)《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2022年版)和《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)可明確化學(xué)核心觀念問(wèn)題:世界是由物質(zhì)構(gòu)成而物質(zhì)是由元素組成。作為參與自然循環(huán)的重要非金屬元素,氮及其化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途是高中化學(xué)學(xué)習(xí)與考查、社會(huì)關(guān)注及生產(chǎn)生活中應(yīng)用的重要無(wú)機(jī)物族系。梳理近年來(lái)高考試題可發(fā)現(xiàn),基于元素觀的NOx(主要為NO、NO2)脫硝處理考查一直是高考的難點(diǎn)、熱點(diǎn)和STSE融合點(diǎn)。

我家做小生意，媽在家賣(mài)零售飼料，爸幾乎每天去附近的城市跑生意。爸媽因?yàn)樾r(shí)候家庭條件不好，都沒(méi)讀很多書(shū)。我知道，他們對(duì)我的期望很高。媽常對(duì)我說(shuō)，她和我爸辛苦，一輩子吃虧在沒(méi)知識(shí)沒(méi)文化。

1.利用脫硝建構(gòu)元素觀

元素化合物相關(guān)知識(shí)統(tǒng)領(lǐng)了高中化學(xué)知識(shí)體系,在備考中要關(guān)注到Na、Fe、Al、Cl、S、N、Si等七大元素及其化合物的性質(zhì)、用途、轉(zhuǎn)化、制備的知識(shí)和概念,它們作為知識(shí)載體往往是綜合試題的題干和素材,因而學(xué)生在高三化學(xué)總復(fù)習(xí)中務(wù)必要形成完整的“化學(xué)元素觀”。學(xué)生在高三前已經(jīng)以“價(jià)—類(lèi)”二維觀念建構(gòu)研究無(wú)機(jī)物性質(zhì)(價(jià)態(tài)性質(zhì)—氧化性或還原性;類(lèi)別性質(zhì)—酸性、堿性、酸性氧化物性質(zhì)等)的一般思路和方法,能夠從無(wú)機(jī)物中的元素角度使高中知識(shí)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化。高三階段需要對(duì)“元素觀”有進(jìn)一步提升,即基于解決實(shí)際問(wèn)題的元素視角融合原理、結(jié)構(gòu)等無(wú)機(jī)化學(xué)概念的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)和綜合分析。NOx脫硝處理是學(xué)生基于元素觀進(jìn)行深入整理和認(rèn)知的素材,在全國(guó)各地近年來(lái)的高考題、模擬題中出現(xiàn)頻繁。NO、NO2有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、物理性質(zhì)及化學(xué)性質(zhì),學(xué)生可以應(yīng)用以上“元素觀”預(yù)測(cè)它們與其他物質(zhì)的反應(yīng)、轉(zhuǎn)化的過(guò)程,結(jié)合脫硝本身是極其重要的工藝過(guò)程,對(duì)人類(lèi)生活和社會(huì)發(fā)展有重要意義,可知將NOx脫硝處理作為專題復(fù)習(xí)很有必要性。以NOx脫硝為例建構(gòu)元素觀,見(jiàn)圖1。

2.脫硝中的元素觀考查

隨著科技與現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,氮氧化物(NOx)的污染問(wèn)題已成為全世界范圍內(nèi)面臨的社會(huì)問(wèn)題,因其危害(酸雨、光化學(xué)煙霧、霧霾、臭氧層破壞等)較大,NOx脫硝處理(轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌滋幚淼暮衔锘蜃儚U為寶)在近十年中一直是各大科研機(jī)構(gòu)研究熱點(diǎn),四新高考背景下這些研究成果也進(jìn)入了試卷中。試題考查方向,見(jiàn)表1。

表1 脫硝技術(shù)考查方向

2.1 NOx產(chǎn)生機(jī)理

燃料型機(jī)理:若燃料中含氮元素物質(zhì)(如煤),則在燃料燃燒時(shí)與氧氣反應(yīng)直接生成NOx,燃煤發(fā)電或燃煤提供熱量是產(chǎn)生NOx的主要途徑。熱力型機(jī)理:空氣中的氧氣和氮?dú)庠谌剂先紵惺芨邷丨h(huán)境影響,生成NOx,燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生大量NOx。快速型機(jī)理:燃料燃燒時(shí)氮?dú)馀c產(chǎn)生的碳?xì)潆x子團(tuán)(碳?xì)渥杂苫?CH)碰撞生成中間體HCN、CN-等,再快速和氧氣反應(yīng)生成NOx。

燃煤煙氣和汽車(chē)尾氣是NOx最大來(lái)源。通過(guò)產(chǎn)生機(jī)理反向治理源頭是最佳的脫硝方法,可以采取的方法是降低燃料中氮元素含量和降低反應(yīng)溫度。另外最常見(jiàn)的方法為末端處理,即將已產(chǎn)生的NOx在未排放時(shí)進(jìn)行處理,按脫硝工藝可分為濕法、干法。典型濕法脫硝工藝見(jiàn)表2。

表2 常見(jiàn)末端濕法脫硝工藝

2.2 干法脫硝SCR工藝

干法脫硝即氣相中還原劑與NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成無(wú)害氮?dú)狻Ｄ壳笆澜缟献顝V泛使用的傳統(tǒng)干法脫硝為:選擇性催化還原法(SCR)。原理:以氨氣(NH3)或尿素為還原劑,在具有高選擇性的金屬催化劑(Ⅰ:NH3可以和剩余O2反應(yīng);Ⅱ:NH3可以和NOx反應(yīng),選擇性作用下主要發(fā)生Ⅱ)作用下將NOx還原為無(wú)污染的N2和H2O。SCR中催化劑常以TiO2作載體,以V2O5為活性物質(zhì)。

研究組行MRI診斷，操作如下：采用Philips 1.5T的MRI設(shè)備，患者受檢之前需禁止飲食、飲水，掃描層厚參數(shù)為8mm，掃描間隔參數(shù)為1mm，檢查時(shí)，靜脈注射15ml對(duì)比劑。操作者需密切留意患者癌變性質(zhì)，并對(duì)影像特征進(jìn)行分析。

【例1】(熱化學(xué)考點(diǎn)——蓋斯定律)SCR工藝中涉及以下熱化學(xué)反應(yīng),求ΔH2。

ΔH1=-907 kJ/mol

ΔH2

【分析】由蓋斯定律可求得方程式Ⅰ+5Ⅲ=Ⅱ,則ΔH2=ΔH1+5ΔH3=-1 807 kJ/mol。

權(quán)值矩陣W中連接權(quán)重wii′表示像素間空間和光譜測(cè)度的相關(guān)性，wii′≠ 0表明像素i與i′間存在某種程度的相似關(guān)系，反之，兩者無(wú)關(guān).設(shè)wii′=Eii′sii′，當(dāng)像素i與i′不連接(Eii′=0)時(shí)，連接權(quán)重wii′=0，當(dāng)像素i與i′相連(Eii′=1)時(shí)，連接權(quán)重wii′=sii′，其中，sii′為像素i與i′間光譜測(cè)度的相似度，滿足對(duì)稱性si′i=sii′，并定義為，

【例2】(無(wú)機(jī)考點(diǎn)——陌生方程式書(shū)寫(xiě))SCR工藝中若用尿素CO(NH2)2作還原劑,寫(xiě)出還原NO2的化學(xué)方程式。

SCR脫硝作為研究重點(diǎn),科學(xué)家一直在研究上做出突破,除了氨氣外,各種還原性氣體都處在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中。

圖2 NO的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系

【分析】由圖可知,在相同時(shí)間和相同溫度下,NO轉(zhuǎn)化率在乙催化劑下更高,因而選乙;在M點(diǎn)的溫度下,甲催化劑下NO轉(zhuǎn)化率<乙催化劑下NO轉(zhuǎn)化率,又由催化劑不影響平衡可知,M點(diǎn)一定未達(dá)到平衡。

綜上，本實(shí)驗(yàn)以白及成熟蒴果為外植體對(duì)白及組織培養(yǎng)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1∕2MS培養(yǎng)基和適當(dāng)?shù)墓庹湛墒狗N子萌發(fā)速度快，長(zhǎng)勢(shì)好。在增殖過(guò)程中，NAA對(duì)白及的增殖影響最大，其次是KT，最優(yōu)組合為MS+6-BA 1.00 mg∕L+NAA 0.05 mg∕L+KT 1.00 mg∕L，增殖系數(shù)達(dá)到1.83。生根過(guò)程中，NAA的濃度對(duì)生根率和每株試管苗生根數(shù)影響最大，本實(shí)驗(yàn)中白及生根的最優(yōu)組合為1∕2MS+NAA 1.0 mg∕L+GA30.5 mg∕L+番茄汁100 g∕L。

3.變式考查

3.1 干法脫硝NSR工藝

【例8】(無(wú)機(jī)考點(diǎn)——陌生方程式書(shū)寫(xiě)、催化劑機(jī)理)未來(lái)可用乙烯作為還原劑脫硝(NO)。機(jī)理見(jiàn)圖7,請(qǐng)寫(xiě)出總反應(yīng)化學(xué)方程式。

圖3 NSR示意圖

【例5】(無(wú)機(jī)考點(diǎn)——定量計(jì)算)NOx“儲(chǔ)存”過(guò)程發(fā)生化學(xué)變化,寫(xiě)出該過(guò)程參加反應(yīng)的NO和O2的體積比(同溫同壓)。

【分析】“儲(chǔ)存”是NO、O2、BaO發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過(guò)程,氧化劑O2、還原劑NO,根據(jù)關(guān)系式:O2～4e-;NO～3e-,建立關(guān)系式:4NO～3O2,NO和O2物質(zhì)的量之比為4∶3,同溫同壓下體積比為4∶3。

3.2 濕法脫硝工藝

【例6】(無(wú)機(jī)考點(diǎn)——陌生方程式書(shū)寫(xiě)、催化劑機(jī)理、定量計(jì)算)按要求作答。

①NO2用Na2CO3溶液吸收發(fā)生歧化反應(yīng),寫(xiě)出該反應(yīng)的離子方程式。

【例7】(原理考點(diǎn)——電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě))按要求作答。

③NO/H2混合氣通入Ce3+/Ce4+混合溶液,物質(zhì)轉(zhuǎn)化見(jiàn)圖4。寫(xiě)出總反應(yīng)化學(xué)方程式。

圖4

3.3 電化學(xué)法脫硝

②NO和NO2物質(zhì)的量之比=3∶2時(shí),用Na2CO3和H2O2混合溶液吸收效果好,寫(xiě)出該反應(yīng)的離子方程式。

為了解廣西企業(yè)融資情況，中國(guó)人民銀行南寧中心支行對(duì)廣西全區(qū)163家企業(yè)（大型企業(yè)37家、中型企業(yè)73家、小微型企業(yè)53家，其中國(guó)有35家，民營(yíng)106家，外商19家，集體3家）開(kāi)展問(wèn)卷調(diào)查并對(duì)全區(qū)50家重點(diǎn)扶持企業(yè)進(jìn)行實(shí)地走訪，同時(shí)對(duì)全區(qū)151家銀行業(yè)金融機(jī)構(gòu)（含21家省級(jí)分行、130家地市級(jí)分行）進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示：2018年以來(lái)，廣西銀行業(yè)金融機(jī)構(gòu)保持對(duì)企業(yè)融資的支持力度，但由于宏觀政策環(huán)境、信貸投放行業(yè)取向、融資渠道單一、企業(yè)自身?xiàng)l件等因素綜合影響，不同行業(yè)、不同類(lèi)型和不同性質(zhì)企業(yè)仍存在不同程度的融資難融資貴問(wèn)題。

MS與MS(BB)的差值來(lái)源主要有兩點(diǎn)：一是公式中常數(shù)的區(qū)別；而是量取的對(duì)象，MS量取的是仿真為SK長(zhǎng)周期地震計(jì)的地面位移，而MS(BB)量取的是不仿真的地面速度。前者的差值為系統(tǒng)差值，后者的差值包含系統(tǒng)誤差和量取時(shí)的誤差，難以界定大小。

①電解法處理NO煙氣原理見(jiàn)圖5。寫(xiě)出電極a的電極反應(yīng)式;當(dāng)通過(guò)電路的電子為3 mol時(shí),電解煙氣的體積(NO含量10%,標(biāo)準(zhǔn)狀況)。

圖5

一體化實(shí)踐教學(xué)是指通過(guò)整合實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，制定學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)體系并通過(guò)教學(xué)環(huán)節(jié)維持日常工作的運(yùn)轉(zhuǎn)。較之于傳統(tǒng)教學(xué)模式的分散性、斷層性的弊端，一體化教學(xué)模式具有全程化、漸進(jìn)性、訓(xùn)練性、整合性的特點(diǎn)，它有助于理論與實(shí)踐脫節(jié)等教學(xué)問(wèn)題的解決，提高教學(xué)質(zhì)量。一體化實(shí)踐教學(xué)體系借鑒集中較為先進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)模式，如德國(guó)FH“企業(yè)主導(dǎo)型”實(shí)踐教學(xué)模式、加拿大“能力為基礎(chǔ)的教育”實(shí)踐教學(xué)模式、英國(guó)“資格證書(shū)體系推動(dòng)型”實(shí)踐教學(xué)模式、香港“工業(yè)訓(xùn)練中心型”實(shí)踐教學(xué)模式。旅游管理專業(yè)一體化實(shí)踐教學(xué)更好地適應(yīng)新形勢(shì)下旅游業(yè)發(fā)展的需求。

圖6

②P—g-C3N4作催化劑的光催化氧化法脫除NO,見(jiàn)圖6。根據(jù)圖示寫(xiě)出P端、g-C3N4端的電極反應(yīng)(酸性環(huán)境)。

3.4 SCR的變革

NSR即NOx的儲(chǔ)存和還原分開(kāi)進(jìn)行,見(jiàn)圖3。NOx在不同時(shí)段交替進(jìn)行儲(chǔ)存和還原。優(yōu)點(diǎn)在于較高流速下NOx先儲(chǔ)存防止泄漏、集中處理便捷高效等。

據(jù)了解，目前，在院前篩查預(yù)防方面，已經(jīng)上線了卒中助手小程序，提供篩查和健康指導(dǎo)服務(wù)。在院內(nèi)診療方面，研發(fā)腦卒中醫(yī)聯(lián)體平臺(tái)，初步實(shí)現(xiàn)卒中地圖、質(zhì)控、會(huì)診教學(xué)和病歷語(yǔ)音輸入功能。會(huì)診方面，實(shí)現(xiàn)了華山和五院雙方HIS數(shù)據(jù)、視頻和影像互傳互動(dòng)，已經(jīng)開(kāi)始使用。卒中地圖方面，目前已經(jīng)針對(duì)五院和四家閔行社區(qū)的局面做了數(shù)據(jù)分布圖，下一步將結(jié)合整個(gè)閔行數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)分布計(jì)算。在院后康復(fù)方面，根據(jù)患者康復(fù)數(shù)據(jù)，研發(fā)了人群相似模型和預(yù)后分析模型，并研發(fā)了康復(fù)云平臺(tái)提供使用。

圖7

3.5 跨學(xué)科脫硝

生物和化學(xué):氮元素參與自然界循環(huán),植物體內(nèi)氮元素轉(zhuǎn)化包含:有機(jī)氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用。這是化學(xué)與生物學(xué)科共同探討的問(wèn)題。微生物脫硝法即利用脫氮菌在碳源作用下將NOx還原為N2,對(duì)應(yīng)自然界氮循環(huán)中的反硝化作用即硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。該法目前直接?yīng)用還有菌落培養(yǎng)不易、不能大量處理等問(wèn)題,但必然會(huì)成為未來(lái)脫硝的主流綠色方法。微生物脫硝法需要條件:①反硝化微生物(如反硝化硫桿菌);②電子供體(如有機(jī)碳源:葡萄糖C6H12O6);③厭氧條件;④NOx(氮源)。

留學(xué)生的母語(yǔ)及母語(yǔ)文化是自幼習(xí)得的，在學(xué)習(xí)漢語(yǔ)時(shí)，母語(yǔ)及其文化會(huì)與漢語(yǔ)及中國(guó)文化發(fā)生沖突，產(chǎn)生干擾和影響，即負(fù)遷移。比如第3題“你說(shuō)的是小楊吧。他呀，說(shuō)得比唱得還好聽(tīng)。這句話的意思是什么”，有位德國(guó)學(xué)生選了“A.小楊的聲音很好聽(tīng)”，因?yàn)樵诘聡?guó)，如果某人唱歌不好，人們就安慰他說(shuō)“你的聲音很好聽(tīng)”。又比如第8題“老王干活很勤快，你表?yè)P(yáng)他，你怎么說(shuō)”，有位日本學(xué)生反映道，在日語(yǔ)里，很少有用“老黃?！北扔魅说?，所以她根本沒(méi)想到應(yīng)該選“C.老王干活像頭老黃牛一樣”。這都是學(xué)生母語(yǔ)文化對(duì)漢語(yǔ)語(yǔ)用習(xí)得的負(fù)遷移。

【分析】結(jié)合跨學(xué)科綜合素養(yǎng)的考查。遷移運(yùn)用知識(shí),按要求完成作答:

圍繞學(xué)校應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，通過(guò)把教學(xué)內(nèi)容(使用Dreamweaver軟件制作網(wǎng)頁(yè))、教學(xué)軟件(Dreamweaver)、教學(xué)網(wǎng)站(包含課件、大綱、案例、項(xiàng)目等內(nèi)容)等常規(guī)分離的教學(xué)項(xiàng)目合并到教師團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)中，精選教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)校人才培養(yǎng)目標(biāo)與學(xué)生的能力培養(yǎng)的統(tǒng)一，把知識(shí)學(xué)習(xí)與能力培養(yǎng)始終貫穿在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)課堂內(nèi)外學(xué)習(xí)環(huán)境的統(tǒng)一，促進(jìn)學(xué)生繼續(xù)深入學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí).詳見(jiàn)圖1.

軍功爵制并非封建社會(huì)爵位授予制度的首創(chuàng)，最早出現(xiàn)于春秋，確立于戰(zhàn)國(guó)。在軍功爵制出現(xiàn)之前，就出現(xiàn)了“天子一位，公一位，候一位，伯一位，子、男同一位，凡五等也?！盵1]P217事實(shí)上在其出現(xiàn)以前，歷史上已經(jīng)廣泛存在著另一種授爵制度，既廣為流傳的“王者之制祿爵，公侯伯子男凡五等”[2]P309的五等爵制。在這種制度下，貴族享有對(duì)國(guó)家的統(tǒng)治權(quán)，廣大人民都在其統(tǒng)治之下：“封略之內(nèi)，何非君土，食土之毛，誰(shuí)非君臣”[3]P1284或曰：“溥天之下，莫非王土。率土之濱，莫非王臣?！盵4]P312

物理和化學(xué):電子束脫硝法是最先進(jìn)的方法。電子束為電子發(fā)射器中的陰極產(chǎn)生電子,通過(guò)陰陽(yáng)極間的高壓電場(chǎng)進(jìn)行加速最后在透鏡會(huì)聚作用下形成密集高速電子流,NOx在電子束作用下容易得到/失去電子直接生成硝酸銨。

【例10】(跨學(xué)科考點(diǎn)——物理情境)結(jié)合電子束脫硝法寫(xiě)出NOx的氧化和還原反應(yīng)。

本文擬以Fugate的就業(yè)能力指標(biāo)作為依據(jù)和參考，以職業(yè)認(rèn)同感、社會(huì)資本、個(gè)體適應(yīng)力、人力資本為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，細(xì)分為自信心、市場(chǎng)意識(shí)、技能、健康、交際范圍、人際交往的主動(dòng)性等十五個(gè)指標(biāo)對(duì)新生代農(nóng)民工就業(yè)能力進(jìn)行探究和評(píng)價(jià)。運(yùn)用AHP法分別計(jì)算出每個(gè)一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，據(jù)此了解和分析不同的指標(biāo)變量對(duì)新生代農(nóng)民工就業(yè)能力是否存在影響、影響的程度，以及影響的規(guī)律性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)而探討在不同方面、不同條件下如何逐步提高新生代農(nóng)民工就業(yè)能力的建議。

4.建議

脫硝考查學(xué)生對(duì)元素觀的整體認(rèn)知,N元素及其化合物的結(jié)構(gòu)化復(fù)習(xí)可以采取脫硝作為情境素材,其他元素及化合物也均能找到較好的著力點(diǎn)助力學(xué)生構(gòu)建、應(yīng)用元素觀,見(jiàn)表3。表中情境素材舉例為各元素及其化合物的科學(xué)研究和應(yīng)用的前沿?zé)狳c(diǎn),例如脫硫——二氧化硫作為污染物應(yīng)予以脫除類(lèi)似于脫硝,脫硫、脫硝和脫磷是環(huán)境治理和保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題,應(yīng)用元素觀進(jìn)行復(fù)習(xí)時(shí),應(yīng)結(jié)合“脫硫”關(guān)鍵詞進(jìn)行習(xí)題整理和歸納,在其中形成硫及其化合物的性質(zhì)、轉(zhuǎn)化、應(yīng)用、制取等相關(guān)知識(shí)后遷移至脫硫工藝問(wèn)題的解決,在解決實(shí)際問(wèn)題背景下加深元素化合物和化學(xué)反應(yīng)原理、有機(jī)化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)的融合理解和深度應(yīng)用,從而形成科學(xué)的、融合的化學(xué)知識(shí)體系和化學(xué)觀念與思想。

利用好實(shí)際情境素材統(tǒng)領(lǐng)元素化合物復(fù)習(xí)的路徑明確、優(yōu)勢(shì)突出,學(xué)生在建構(gòu)和應(yīng)用元素觀過(guò)程中交叉應(yīng)用化學(xué)知識(shí)、能力,融合貫通高中化學(xué)核心內(nèi)容,使化學(xué)核心素養(yǎng)落地。