"Не в массе приобретенных знаний заключается красота и мощь умственной деятельности, даже не в их систематичности, а в искреннем, ярком искании: И масса удержанных умом фактов, и систематичность познанных данных - ученическая работа, она не может удовлетворить свободную мысль" В.И. Вернадский.
Цель урока:
Познакомить учащихся с основными закономерностями протекания и управления химическими реакциями на примере производства серной кислоты.
Знать химизм производства серной кислоты, условия их осуществления, общие научные принципы, лежащие на основе этого производства, устройство и работу аппаратов по производству серной кислоты.
Знать основные профессии и перспективы развития сернокислого производства, условия охраны труда и защиты окружающей среды.
Уметь разъяснять условия, влияющие на скорость химических реакций, смещение химического равновесия.
Уметь объяснять значение серной кислоты для развития народного хозяйства.
Ход урока
1. Организационный момент.
2. Основная часть. Заседание ученого совета.
Магистр химических наук: Здравствуйте, уважаемые коллеги! На нашем заседании присутствуют технологи завода, химики-конструкторы, научные сотрудники, экологи, врачи, зарубежные корреспонденты. На повестке дня очень важный вопрос - к нам в научно-исследовательский институт поступила телеграмма, зачитываю:
Телеграмма
На нашем заводе выбрасывается в атмосферу большое количество сернистого газа. Нельзя ли наладить производство по выпуску серной кислоты, чтобы сернистый газ не загрязнял атмосферу на территории нашего поселка? Просьба решить вопрос положительно и выслать технологические схемы производства. Администрация завода
Магистр технических наук: Производство серной кислоты нам известно еще с 16 века. Хотелось бы услышать краткую историческую справку. Слово историку.
Историк: В 16 веке серную кислоту получали сухой перегонкой железного купороса, и с тех пор ее стали звать "купоросным маслом". Первый завод построен в Англии в 1740 году, где получали серную кислоту сжиганием серы и селитры в металлических сосудах. Позже для улавливания образующихся газов стали применять свинцовые камеры, и способ назвали "камерным". В начале 20 века заменили башнями, и процесс назвали "башенным", но концентрация кислоты составляла 75%, и происходило загрязнение атмосферы. Появился новый способ производства серной кислоты - контактный метод. При этом стали получать 90-95% кислоту и олеум (100%), не стало такого загрязнения окружающей среды. В настоящее время основными промышленными методами получения серной кислоты являются башенный (нитрозный) и контактный. Последний метод имеет большое преимущество.
Магистр технических наук: Перед нами стоит задача: найти наиболее выгодный экологический способ получения серной кислоты, слово технологическому бюро:
Вы должны ответить на вопрос, что является сырьем для производства серной кислоты и при помощи каких химических превращений можно осуществить данное производство? Приведите схемы химических реакций.
Технологическое бюро: Основными видами сырья производства серной кислоты являются: железный колчедан или пирит FeS2, сера, отходящие газы цветной и черной металлургии, содержащие оксид серы (IV) SO2, сероводород, серный колчедан. Серу получают из природных залежей - природная сера, и из сероводорода, природного газа - газовая сера. Для производства серной кислоты используют серный колчедан. Сырье должно быть дешевым, широко распространенным. Применение сырья лучше всего сделать комплексным. Возможны варианты использования отходов других химических производств, а также применение концентрированного сырья. Стадии производства серной кислоты:
4FeS 2+ 11 SO2=2Fe2O3+ 8SO2+ Q
2SO2 + O2=2SO3 + Q
SО3+Н2О=Н2SО4 + О
Магистр химических наук: Сырье, которое имеется на заводе для технологического процесса - пирит или серный колчедан. Из него образуется оксид серы (IV) или SO2?
Слово предоставляется 1 химику-технологу: Какая реакция происходит в печи обжига в "кипящем слое"?
Химик-технолог 1: Оксид серы получают обжигом серного колчедана или пирита
4FeS 2+ 11 SO2=2Fe2O3+ 8SO2+ Q
данная реакция необратимая, экзотермическая, гетерогенная, некаталитическая.
Оптимальные условия:
Температура 800 градусов.
Применяется "кипящий слой".
Колчедан измельчается до определенного размера.
Используется воздух, обогащенный кислородом.
Реакция проводиться с большой скоростью.
Если вместо воздуха пропускать чистый кислород, увеличивается концентрация одного из реагирующих веществ, скорость реакции увеличивается. При дроблении пирита увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих веществ, и скорость реакции увеличивается. Так как реакция протекает с выделением тепла и температура поднимается выше оптимальной температуры, то теплоту нужно отводить и использовать для других целей.
Магистр технических наук: Но ведь нам нужна печь, в которой мы можем проводить эту реакцию? Слово 1 химику-конструктору: Расскажите об устройстве печи для обжига в "кипящем слое". Как происходит процесс?
Химик-конструктор 1: Печь представляет собой стальной цилиндр, выложенный огнеупорным кирпичом. Сверху в печь поступает измельченный серный колчедан, а снизу воздух, обогащенный кислородом. Воздух поступает в печь через решетку с отверстиями и поднимает частицы пирита вверх. Поднимаясь на определенную высоту, они начинают падать вниз под воздействием силы тяжести. Подхватываясь новыми струйками воздуха, частички пирита опять поднимаются вверх. Создается впечатление "кипящего слоя". От этого и название этой печи.
Магистр химических наук: В печи большая температура и поэтому ее можно каким-то образом использовать для различных бытовых нужд. Как это можно сделать, используя достижения науки? Слово 1 научному сотруднику: Ответьте на вопрос - как используется тепло, образующееся при реакции в печи для обжига в "кипящем слое"? Зачем измельчают серный колчедан до реакции, и что было бы, если серный колчедан поступал в печь крупными частицами?
Научный сотрудник 1: Избыточная теплота отводится и используется для получения водяного пара, а также идет на нагрев отопительной системы цехов. При дроблении пирита увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих веществ, что вызывает увеличение скорости реакции. Но при образовании слишком мелких частиц пирита происходит слеживание, образуется плотный слой, через который кислород почти не проходит. При более высокой температуре происходит даже их спекание и скорость реакции падает. Поэтому очень важно измельчение пирита до частиц определенного диаметра.
Магистр технических наук: Полученный в печи обжига оксид серы (IV) SO2 имеет очень много примесей, поэтому его невозможно использовать для получения серной кислоты, к тому же он выбрасывается в атмосферу, что недопустимо. Значит нужно расширить производство и из этого оксида получать серную кислоту. Для этого нужны новые аппараты, а в дальнейшем цеха и соответственно новые рабочие места.
Слово химику - конструктору 2: Познакомьте нас с устройством циклона и объясните, как происходит очистка оксида серы (IV) от примесей.
Химик - конструктор 2: Я представляю устройство аппарата циклона, в котором можно удалить пыль из газовой смеси, он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Смесь газов поступает в наружный цилиндр и движется по спирали сверху вниз. Частицы пыли отлетают к стенке наружного цилиндра, падают вниз и удаляются.
Магистр химических наук: В циклоне можно очистить оксид серы (IV) только от крупных примесей, а как же мелкие частички пыли?
Слово химику-конструктору 3: Расскажите о строении электрофильтра, что в нем происходит?
Химик - конструктор З: Для очищения газа от мелких примесей его направляют в электрофильтр. Этот аппарат состоит из металлических сеток, между которыми протянута тонкая проволока. К проволоке подводится постоянный электрический ток высокого напряжения - 60.000 В. Проволока заряжена отрицательно, а сетка - положительно. Смесь газов поступает в камеру снизу. В результате сильного электрического поля пылинки приобретают отрицательный заряд, притягиваются к сетке, теряют свой заряд и падают в специальный бункер.
Магистр технических наук: Этот оксид содержит пары воды, поэтому в таком виде его использовать нельзя. Зачем и как сушат оксид серы (IV)? Слово химику-технологу 3.
Химик-технолог 2: От водяных паров газовую смесь очищают в сушильной башне. В эту башню газовая смесь поступает снизу, а сверху противотоком стекает концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами. Поглощение оксида серы (IV) идет не водой, а концентрированной серной кислотой. Она забирает воду и становится разбавленной, а газ сухим.
Магистр химических наук: Чтобы получить серную кислоту, нужен оксид серы (VI) SОз. Как легче и быстрее его получить из оксида серы (IV)? Слово имеет химик-технолог 2.
Химик-технолог 3: Нужно окислить оксид серы (IV) в оксид серы (VI)
2SO2 + O2=2SO3 + Q
Данная реакция является экзотермической и обратимой.