Методика изучения отдельных химических производств ☼. Работа №305205

МБОУ «СОШ №2 им. А.И. Исаевой», г. Нефтеюганск

Учитель биологии и химии

Пестова Татьяна Михайловна

Методика изучения отдельных химических производств

Научное исследование применительно к химико – технологическим процессам связано с постановкой и последовательным решением целого ряда проблем. Обычно оно осуществляется по следующей схеме: от выдвинутой задачи (потребности в каком – либо продукте), через исследование физико-химических свойств веществ, на основе этих свойств и экономических требований нужно перейти к выбору оптимальных условий (концентраций реагирующих веществ, давления, температуры, катализатора и т.п.), далее к определению принципов устройства реакторов с учетом выбранных и экспериментально проверенных оптимальных условий и затем к составлению технологических схем производства. Данная схема исследования в адаптированном виде может быть использована и в общем курсе химии средней школы.

Использование методов научного исследования при изучении химических производств существенно меняет характер деятельности учащихся. Знакомясь с производством, они должны выполнять определенный круг действий. Например, они должны уметь установить связь между многими параметрами, в частности между экспериментальными данными, техническими возможностями производства и его рентабельностью. При решении выдвинутых проблем они должны актуализировать знания о химическом равновесии в кинетике химических реакции, сопоставлять влияние различных факторов на ускорение реакции, систематизировать изучаемые факты и соотносить их с условиями конкретной задачи, находить оптимальное решение по выбору условий протекания реакций и аргументировать предлагаемое решение, обобщать изученные закономерности и применять их к новым процессам.

В качестве примера рассмотрим особенности методики изучения некоторых производств.

Первое производство – производство серной кислоты – изучается в курсе химии 9 класса. На его примере учащиеся впервые занимаются исследованием оптимизации химико – технологических процессов. Здесь особое внимание следует уделить развитию самостоятельности учащихся при решении проблемных заданий по выбору сырья, оптимальных условий проведения химических реакций на заводе, по первоначальному проектированию аппаратов.

При изучении предыдущих тем учащиеся ознакомились с физическими и химическими свойствами серной кислоты, с основными областями ее применения. Учитель дополнительно к этим сведениям приводит данные о мировом производстве ее в России и темпа роста объема производства в целом. Так вырисовывается общая картина, отражающая широкое использование серной кислоты современной промышленности.

Затем учащимся предлагается задание по выбору сырья для сернокислого производства, а также учащиеся изучают, какие виды сырья преимущественно используются в разных странах. Поэтому им предлагается назвать виды серосодержащего сырья, достаточно широко распространенные в природе, дать им оценку, сопоставить отдельные виды сырья и выбрать оптимальное, наилучшее сырье. Учащиеся обычно говорят об элементарной сере, о залежах самородной серы, о содержащих серу соединениях – сульфидах металлов, сульфатах. На основании этих сведений ими делается предварительный вывод, о возможности использования в данном производстве любого вида сырья в соответствии с наличием последнего в стране или различных районах страны.

При решении следующего задания – нельзя ли серную кислоту из отходов химической промышленности - учащиеся получают представление о комплексной переработки серосодержащего сырья. Учитель сообщает, что до недавнего времени газообразные продукты обжига сульфидных руд, содержащие оксиды серы (IV), на заводах цветной металлургии не использовались. Сейчас уже 30 процентов серной кислоты в России производится из этого «отброса», причем стоимость ее колчедана. При очистке природного газа на коксохимических и нефтеперерабатывающих заводах получают сероводород, который также необходимо утилизировать. Примером является Оренбургское месторождение горючих газов. Получаемая из него в больших количествах сера является дешевым сырьем для получения серной кислоты.

Последовательное рассмотрение сырьевой проблемы данного производства помогает учащимся самостоятельно сформулировать важные для химической промышленности закономерности: химический продукт можно получать из нескольких видов сырья; природное сырье необходимо перерабатывать комплексно. Выполняя задание, посредством каких химических реакций можно получить серную кислоту из каждого вида сырья, учащиеся убеждаются в том, что знания, полученные ими в курсе химии, можно связать с химическим производством. С подобными вопросами учащиеся сталкивались неоднократно, решая задачи на составленные цепочки превращений веществ, когда промежуточные и конечные продукты были заданы. Поэтому они без затруднений приводят реакции получения серной кислоты из серы, оксида серы (IV),сероводорода, серного колчедана, сульфата кальция и указывают, что, по – видимому, эти реакции можно положить в основу производства серной кислоты на заводе. Учитель сообщает, что для осуществления этих реакций в производственных условиях необходимо решить ряд важнейших задач. Они могут быть названы самими учащимися: нужно получить высокий выход продукта при возможно более полном использовании сырья и реакции следует проводить с большой скоростью. Акцентирование внимания учащихся на данных задачах позволяет сформировать четкое представление об оптимальных условиях протекания химических реакций на заводах. Оптимальными являются те условия, которые дают наилучшие экономические показатели, обеспечивают высокую производительность труда и низкую себестоимость продукта. При выборе оптимальных условий важно учитывать физико-химические свойства участвующих в реакции веществ и физико – химические характеристики самих реакций.

Подробно рассматривается процесс производства серной кислоты из серного колчедана. Первая стадия процесса – обжиг колчедана. К чему следует стремиться при проведении его на заводе?

Исходя из общих экономических требований к производству, следует добиваться, возможно, более высокого выхода оксида серы (IV),т.е. более полного использование сырья. Необходимо также добиваться высокой производительности печей для обжига колчедана, чтобы в них в единицу времени перерабатывалось, возможно, большее количество колчедана.

Ограничиваясь пока этими двумя основными требованиями, учащиеся под руководством учителя переходят к выбору оптимальных условий обжига колчедана. При этом они исходят из составляемой ими физико – химической характеристики реакций: обратима реакция или практически необратима, экзотермична или эндотермична, гомогенная или гетерогенная, от каких факторов зависит скорость реакции и как ее увеличить. Так как реакция необратима, то, очевидно, можно довести ее до конца, т.е. получить 100 процентный выход продукта. Для повышения скорости реакции, а следовательно, и производительность реактора следует вести реакцию при возможно более высокой температуре. Какую выбрать температуру? Узнав о температуре спекания твердых реагентов реакции, учащиеся выбирают оптимальную температуру обжига – 800 С. Познакомившись с преимуществами «кипящего слоя» при демонстрации опыта «кипения» частиц песка токе воздуха, учащиеся приходят к выводу о преимуществах обжига колчедана в «кипящем слое» по сравнению с обжигом в неподвижном слое. Нередко они предлагают вести обжиг колчедана в кислороде, зная, что при замене воздуха кислородом реакция сильно ускоряется.

Учитель подтверждает мысль учащихся сообщением о том, что по мере совершенствования кислородных установок кислород становиться дешевле и его начинают применять и в сернокислотном производстве.

Следующее проблемное задание связано с «проектированием» реактора – печи, в которой обжиг протекает при оптимальных условиях. При традиционном преподавании эта проблема не возникает. Ученикам предлагается познакомиться со схемой устройства печи и в лучшем случае дается обоснование рассматриваемой конструкции. Но можно предоставить учащимся, самим подумать и самостоятельно решить такие, например вопросы: следует ли применять аппараты периодического действия или непрерывного? Какими средствами можно регулировать температуру обжига? Не следует ли утилизировать теплоту реакции? Из каких материалов соорудить печь? Очевидно, что рассмотрение этих и других подобных вопросов не только способствует развитию мышления учащихся, но и позволяет им глубоко понять преимущества аппаратов непрерывного действия перед аппаратами периодического действия и возможности превращения химического реактора в энергохимический.

Вторая реакция сернокислотного производства – окисление оксида серы (IV) – служит моделью огромного числа производственных реакций, поэтому исследование закономерностей ее оптимизации имеет большое значение.

По аналогии с предыдущим процессом учащиеся называют основную цель - оксид серы (IV) должен по возможности полностью и быстро окислиться в оксид серы (VI). При каких оптимальных условиях нужно проводить окисление? Учащиеся обращаются к физико – химической характеристике реакции. На основе полученных ранее данных (реакция была рассмотрена при изучении предыдущих тем – «катализ» и «Химическое равновесие») они характеризуют эту реакцию как обратимую, экзотермическую, гетерогенно- каталитическую. Учитель показывает, что при выборе оптимальных условий каталитической реакции целесообразно сначала рассмотреть вопрос о том, какой катализатор можно считать «оптимальным», так как от свойства катализатора зависят остальные факторы.

Перед учащимися впервые возникает проблема выбора катализаторов, и поэтому им предлагается самостоятельно подумать, каким требованиям должны удовлетворять промышленные катализаторы. Учащиеся, как правило, на первое место выдвигают требование активности: реакция на выбранном катализаторе должна протекать достаточно быстро. Катализатор должен быть дешевым и устойчивым в течение длительного времени. Из двух известных учащимся активных катализаторов окисления оксида серы (IV)- платинового и оксида ванадия (V) – они выбирают оксид ванадия, мотивируя выбор экономическими соображениями. Учащимся сообщается также и о том, что при нагревании выше определенной температуры физико – химические свойства катализатора изменяются. Это обстоятельство нужно учитывать при выборе оптимального температурного режима для газовых реакций с твердым катализатором.

Какой же должна быть оптимальная температура окисления оксида серы (IV)? Работая над этим заданием, учащиеся обычно обращаются к данным о химическом равновесии реакции. Ход их рассуждений может быть следующим: так как равновесие реакции окисления оксида серы (IV) смешается в сторону образования оксида серы (VI) при понижении температуры и выход последнего приближается к 100 процентам при 400С, то данная температура и будет оптимальной. Некоторые учащиеся могут высказать и другое мнение: для того чтобы скорость реакции, а следовательно, и производительность контактного аппарата была высокой, температуру необходимо повышать. В таком случае возникает противоречие. Какое мнение считается правильным? Помогает учитель. Оказывается, для данной реакции нет какой – то одной оптимальной температуры. Оптимальные температуры в ходе реакции меняются. И правильным будет следующее решение: начинать реакцию нужно при возможно более высокой температуре, при которой катализатор сохранит свою активность, а затем ее постепенно понижать в целях смешения равновесия реакции в сторону образования оксида серы (VI). Только при таком обсуждении вопроса учащимся становится понятной общая закономерность оптимизации температурного режима обратимых экзотермических каталитических реакций.

При «проектировании» контактного аппарата для окисления оксида серы (IV) учащиеся, знакомые с общими требованиями ко всем химическим реакторам, применяют их к данному контактному аппарату. Он должен быть аппаратом непрерывного действия, большой единичной мощности с автоматизированным управлением. Учащимся обычно предлагают много конструктивных решений вопроса об утилизации теплоты реакции для производства водяного пара. Учитель анализирует предложения, высказанные учащимися, дополняет их. В конце беседы делается обобщающий вывод: в цилиндрическом контактном аппарате нужно расположить катализатор на нескольких полках, а между ними поместить трубки парового котла. В верхнем слое катализатора поддерживается высокая температура, здесь реакция будет протекать очень быстро. На других слоях температуру постепенно понижают и доводят до минимальной на выходе газовой смеси из аппарата.

Изучение третьей химической стадии производства начинается также с физико- химической характеристики реакции, причем внимание учащихся обращается на противоречия между большой скоростью реакции и трудностью улавливается образующегося сернокислотного тумана. Если оксид серы (VI) будет соприкасаться с концентрированной серной кислотой, тумана не образуется (такое решение противоречия можно найти опытным путем). Следовательно, для абсорбции оксида серы (VI) в производственных условиях надо применять концентрированную серную кислоту. При этом может быть получен в качестве продукта также и олеум – раствор оксида серы (VI) в серной кислоте.

Выбор оптимальных условий сочетаться с «проектированием» абсорбционной башни – типичного аппарата химических производств. Учащиеся уже знакомы с принципами, используемыми для ускорения гетерогенных процессов. Поэтому в данном случае для ускорения реакции между газом и жидкостью они могут предложить, например, разбрызгивать жидкость в токе газа, применять насадку, по которой стекает жидкость, образуя на стенках насадки очень большую поверхность. Кроме того, им можно предложить сопоставить движение газа и жидкости в башне и прямотоком и противотоком и ответить на вопрос: в каком случае можно будет добиться полноты извлечения оксида серы (VI)?

Таким образом, при исследовании закономерностей оптимизации всех трех производственных реакций, лежащих в основе производства серной кислоты, соблюдается определенная последовательность выбора решений.

Вначале с учащимися обсуждаются вопросы о свойствах реагирующих веществ и особенностях химических реакций, влияющих на выбор оптимальных условий. Это первый этап – составление физико – химической характеристики реакции. Затем на основе знаний реакций рассматриваются вопросы о выборе управляющих параметров – концентрации реагирующих веществ, давления, температуры, катализатора и др. И наконец, на основе всех этих сведений выявляются общие закономерности оптимизации реакций. Такая последовательность действий повышает степень самостоятельности учащихся.

Определенная последовательность действий при ознакомлении с производственными реакциями облегчает учащимся осуществление переноса общих знаний и умений в новые условия. Это можно видеть на примере изучения темы «Производство синтетического аммиака» (11 класс).

Изучение начинается постановкой перед учащимися основной проблемы – почему в 21 веке с чрезвычайной остротой встала проблема синтеза азотных соединений? Разумеется, сразу получить исчерпывающий ответ на поставленный вопрос невозможно. Поэтому учитель, отметив важность проблемы обеспечения человечества в достаточных количествах пищей, расчленяет ее на ряд частных проблем, более близких учащимся:

Каково значение азота для жизни на Земле?

Каковы природные источники азота и его соединений?

Какой круговорот совершает азот на земном шаре, и какие изменения вносит деятельность человека в этот круговорот?

Для решения этих проблем учащиеся могут использовать знания из курсов ботаники, географии, химии. Опираясь на эти сведения, они смогут самостоятельно прийти к выводу о возможности использования атмосферного азота в качестве сырья для производства азотных соединений и о необходимости поисков путей его фиксации. Рассматриваются два способа – реакция азота с кислородом и реакция азота с водородом. Учитель характеризует первый способ, отмечает существенные недостатки этого процесса, в силу которых он не получил широкого распространения и уже в конце 20-х гг. был оставлен. Наиболее экономичным оказался метод связывания атмосферного азота с водородом. Учащимся предлагается дать физико – химическую характеристику реакции синтеза аммиака. Они обычно сравнивают ее с изученной ранее реакцией окисления оксида серы (IV) и предлагают использовать для оптимизации известные им закономерности. Однако сообщение учителя о том, что эту реакцию ученым не удавалось осуществить в лаборатории в течение всего 20 века, приводит к противоречию. В чем причина таких длительных неудач? Вероятно, эта реакция имеет свои отличительные способности. Учащимся предлагается ознакомиться с данными о равновесном выходе аммиака в зависимости от температуры и давления и дать ответ на вопросы:

Почему в таблице не приведены данные для атмосферного давления и температуры ниже 400 С?

При какой температуре и каком давлении достигается высокий равновесный выход аммиака?

В производственных условиях синтез аммиака осуществляется при оптимальном давлении. Почему не используются более высокое давление?

В процессе беседы учащиеся обсуждают различные варианты условий, позволяющих получить достаточно высокий выход аммиака, и с помощью учителя подходят к идее циркуляционного метода. Именно этот метод позволил отказаться от высоких давлений, что привело к значительному сокращению расходов на электроэнергию. Реакция проводиться быстро, исходные вещества благодаря циркуляции используются почти полностью.

Таким образом, существенные отличия данной реакции от предыдущих выявляются путем установления взаимосвязей между экспериментальными данными, техническими возможностями производства и его рентабельностью.

Особое внимание следует уделить обсуждению вопроса об устройстве колонны синтеза аммиака. Очень важно при этом, чтобы учащиеся самостоятельно отыскивали нужные решения поставленных перед ними вопросов.

Учитель сообщает, что колонна синтезе аммиака – пример реактора, работающего в очень сложных условиях. А сплавы, которые могли бы длительное время выдерживать такие условия, неизвестны. Какое принять решение? Учащимся предлагается ответить на вопрос: как обеспечить равномерное распределение температуры в стенке толстостенной колонны, если внутри ее протекает высокотемпературная реакция? В том, что для этого необходимо уменьшить разность температур внутреннего и наружного слоя корпуса колонны, учащиеся обычно не сомневаются. Но нужное технологическое решение данного вопроса они смогут выбрать лишь при сопоставлении различных вариантов и с помощью учителя. Вывод будет следующим: охлаждение стенки колонны изнутри можно осуществить, пропуская холодную азотно-водородную смесь в зазорах между стенкой колонны и катализаторной коробкой. Обсуждая устройство колонны, учащиеся, как правило, используют метод сравнения – сравнивают ее с контактным аппаратом окисления оксида серы (IV) и предлагают использовать ряд известных им принципов. Например, они предлагают размещать катализатор в колонне синтеза слоями, а между ними помещать трубки холодильника. Большую помощь при изучении реактора оказывает работа с разборной моделью колонны синтеза аммиака. От учащихся при этом требуется обстоятельное объяснение назначения каждой детали.

Изучение темы заканчивается выполнением задания – вывести общие закономерности оптимизации простых обратимых реакций с неблагоприятным положением равновесия – на примере реакции синтеза аммиака.

При изучении темы «Производство азотной кислоты» главное внимание следует уделить реакции окисления аммиака. Это необратимая реакция, на примере которой учащиеся знакомятся с новыми закономерностями, характерными для обширнейшего класса сложных реакций, широко использующихся при производстве органических продуктов.

Сложность реакции выдвигает на первое место задачу – вести реакцию при условиях, способствующих возможно более высокому выходу целевого продукта. На решение ее направляется внимание учащихся. На обсуждение выносятся вопросы:

Как протекает окисление аммиака: а) в отсутствие катализатора, б) при участии катализатора? Какую характеристику реакции вы дадите на основании этого?

От каких условий зависит выход оксида азота (

II

)? В расчет следует принять то обстоятельство, что все три возможных направления реакции необратимы.

Зависит ли выход оксида азота (

II

) от состава катализатора? Так выявляется новое свойство катализатора – его избирательность.

Далее рассматриваются вопросы о механизме каталитического окисления аммиака и зависимости выхода оксида азота (II) от температуры давления, затем выбираются оптимальные условия и оптимальное устройство контактного аппарата.

При выполнении этих заданий учащиеся обычно не испытывают затруднений, ибо они выполняли аналогичные задания на предыдущих занятиях и предварительно ознакомились с теоретическими вопросами, касающимися данной реакции.

В заключение учащимся предлагается сформулировать общие закономерности управления сложными необратимыми реакциями и сопоставить их с закономерностями управления простыми необратимыми реакциями.

Использование опыта учащихся по изучению неорганических производств в курсе химии 9 и 10 классов дает возможность облегчить и ускорить изучение промышленного органического синтеза в 11 классе. Описанный подход к изучению производств активирует познавательную деятельность учащихся, исключает необходимость запоминания огромного числа сведений о том или ином химико – технологическом процессе.