Урок 17. Принципы химического производства. Промышленное получение металлов. Производство чугуна и стали
Предмет: Химия, 11 класс

Конспект урока

Химия, 11 класс

Урок № 17. Принципы химического производства. Промышленное получение металлов. Производство чугуна и стали

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён ознакомлению с принципами химического производства, на примере промышленного получения ряда наиболее значимых веществ: серной и азотной кислот, аммиака и метанола. На уроке учащиеся познакомятся с понятием металлургии, узнают о производстве чугуна и стали.

Глоссарий

Конверсия — процесс переработки газов с целью изменения состава исходной газовой смеси.

Металлургия – наука о промышленных способах получения металлов из руд, а также об их механической и химической обработке.

Принцип Ле Шателье — Брауна — если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия, то в системе усиливаются процессы, направленные в сторону противодействия изменениям.

Промотор — вещество, добавляемое к катализатору в небольших количествах с целью улучшения его свойств, таких, как активность, селективность или стабильность.

Руда - минералы или чёрная порода, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно.

Сепаратор — аппарат, который разделяет продукт синтеза на фракции с разными характеристиками (например, отделить взвеси от жидкости).

Сталь – сплав железа, содержащий 0,02-2,14% углерода, небольшие количества кремния, марганца, фосфора и серы, а также не менее 45% железа. Если в стали содержится от 0,6 до 2,14% углерода, то такую сталь называют высокоуглеродистой.

Сырьё – природные материалы, используемые в промышленности для получения различных продуктов и ещё не прошедшие промышленную переработку.

Турбокомпрессор — устройство, которое сжимает газы для увеличения давления внутри системы.

Химическая промышленность - отрасль хозяйства, которая производит продукцию на основе химической переработки сырья.

Чугун – это сплав железа с углеродом, содержащий не менее 2,14% углерода, а также кремний марганец, серу и фосфор. Как правило, чугун хрупок.

Чугун белый - сплав железа с углеродом, в котором весь углерод находится в связанном виде (Fe3C).

Чугун серый — сплав железа с углеродом, в котором присутствует графит в виде хлопьевидных, пластинчатых или волокнистых включений.

Основная и дополнительная литература по теме урока

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

Дополнительная литература:

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тесто по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

Теоретический материал для самостоятельного изучения

«Зелёная» химия — научное направление в химии, к которому относятся любое усовершенствования химических процессов, положительно влияющие на окружающую среду. Данное направление возникло в 90-е годы XX века. Принципы «зелёной» химии:

лучше предотвратить образование загрязнений, чем потом от них избавляться.
Синтез веществ, следует планировать так, чтобы максимальное количество используемых материалов вошло в конечный продукт.
Стремиться минимизировать энергетические затраты (понизить давление, понизить температуру).
Вещества и процессы следует выбирать так, чтобы минимизировать вероятность несчастных случаев.

Способы реализации принципов «зелёной» химии:

Поиск новых путей синтеза.
Разработка методов синтеза на основе возобновляемых реагентов.
Замена традиционных органических растворителей в технологических процессах (вода, биоразлагающиеся растворители, сверхкритические жидкости).

Последовательное использование принципов Зелёной химии постепенно приводит к снижению затрат на производство, потому что исчезают затраты на уничтожение, переработку побочных продуктов и использованных растворителей, так как их не образуется, а сокращение числа стадий ведет к экономии энергии. Перспективной для развития Зелёной химии является биотехнология (биоинженерия), так как ряд промышленно важных химических соединений может быть синтезирован с помощью микроорганизмов, растений, грибов, животных с высокими выходами и низкими затратами.

Для того, чтобы количественно оценить влияние химического производств на окружающую среду, профессором Р. Шелдоном были введены две основные характеристики: Е-фактор и атомная эффективность. Величина Е-фактора определяется как отношение массы всех побочных продуктов к массе целевого продукта, то есть этот фактор позволяет оценить количество отходов и степень использования сырья. Чем больше Е-фактор, тем менее «зелёной» является реакция или процесс. Например:

Производство

Объём производства, тонн/год

Е-фактор

Нефтеперетаботка

106 – 108

0,1

Тонкий химический синтез

102 – 104

5 - 10

Фармацевтический синтез

10 – 103

25 - 100

Величина Е-фактора в нефтепереработке мала, так как в основном все фракции нефти находят дальнейшее применение, то есть на данных производствах мало отходов. Максимальное значение Е-фактора имеет процесс синтеза лекарственных препаратов, так как это очень сложные производства, с большим числом стадий, а многие лекарства – чистые изомеры, для их синтеза используется большое число химических веществ.

Атомная эффективность – показатель, который рассчитывают как отношение молярной массы целевого продукта к сумме молярных масс всех остальных продуктов. Чем ближе атомная эффективность к 100%, тем более зеленой является данная реакция.

Промышленный органический синтез - раздел органической химической технологии, который изучает различные стороны получения органических соединений: способы синтеза, методики, идентификация, аппаратура и другие.

Промышленный органический синтез подразделяется на основной (производство метанола, анилина, уксусной кислоты, полимеров) и тонкий (производство красителей, лекарственных и душистых веществ, средств защиты растений). Важнейшими промышленными источниками органических веществ являются синтез-газ, природный газ, нефть и каменный уголь. В синтезах сложных органических соединений различают исходные вещества, промежуточные продукты и готовый продукт.

Зеркальный чугун - чугун с содержанием марганца 15-30%, углерода 4,5-6,5 %. Применяется в производстве стали. В изломе имеет характерный зеркальный блеск. Производился до 70-х гг. 20 в. в доменных печах. Применялся для получения чугуна специальных видов и в качестве раскислителя при выплавке стали.

Серый чугун применяется наиболее широко в таких отраслях, как машиностроение, строительство, также применяется в сантехнике. В зависимости от содержания углерода серый чугун делится на доэвтектический (с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %), эвтектический (с содержанием углерода 4,3 %) и заэвтектический (с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 %). Также существует перлитный серый чугун: он имеет высокие прочностные свойства и применяется для изготовления втулок, цилиндров, различных нагруженных деталей двигателей и т.д. Для деталей, где не нужна такая высокая прочность, используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.

Белый чугун имеет низкие механические свойства и более хрупок, поэтому имеет ограниченное применение: из него изготавливают детали простой конфигурации, которые применяются для работы в условиях повышенного абразивного износа. Для повышения износостойкости белого чугуна, его легируют карбидообразующими элементами (Cr, Mo W, и др.), что повышает его износостойкость.

Половинчатый чугун содержит часть углерода в связанном виде (карбиды) и часть углерода в свободном состоянии. Такой вид чугуна применяется в качестве фрикционного материала, который работает в условиях сухого трения (поэтому из него производят тормозные колодки), а также для изготовления деталей, способных работать в условиях повышенной износостойкости (мукомольные, прокатные, бумагоделательные валки).

Существуют различные виды стали, все из которых находят применение в разных отраслях промышленности. По химическому составу стали делят на легированные и углеродистые. Последние по содержанию углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% углерода), среднеуглеродистые (0,3—0,55% углерода) и высокоуглеродистые (0,6—2% углерода); а легированные стали подразделяют по содержанию легирующих элементов на низколегированные — до 4% легирующих элементов, среднелегированные — до 11% легирующих элементов и высоколегированные — свыше 11 % легирующих элементов. Легированные стали маркируются цифрами и буквами, которые указывают примерный состав стали. Буква показывает, какой легирующий элемент входит в состав стали, стоящая за буквой цифра обозначает среднее содержание элемента в процентах ( при этом если его <1%, то цифра не ставится). Первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента. Маркировка по ГОСТ для обозначения легирующих элементов: А — Азот, Б — Ниобий, В —Вольфрам, Г — Марганец, Д — Медь, К — Кобальт, М — Молибден, Н — Никель, П — Фосфор, Р — Бор, С — Кремний, Т — Титан, Ц — Цирконий, Ф — Ванадий, Х — Хром, Ю — Алюминий.

Примеры видов стали:

сталь 18ХГТ — 0,18 % С, 1 % Сr, 1 % Мn, около 0,1 % Тi;

сталь 03Х13АГ19 — 0,03 % С, 13 % Сr, 0,2—0,3 % N, 19 % Мn.

По назначению стали бывают:

1) инструментальные, из которых изготовляют режущие и мерительные инструменты;

2) конструкционные - для изготовления машиностроительных и строительных изделий: для изготовления силовых пружин, амортизаторов, рессор, в приборостроении — для мембран, пружин, подвесок.

3) с особыми физическими и химическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками, нержавеющие, жаростойкие.

Примеры и разбор решения задач тренировочного модуля

Пример задачи. Сколько грамм раствора серной кислоты с массовой долей 96% необходимо влить в 1 л воды, чтобы получить раствор с массовой долей 10 %. Ответ представьте в виде целого числа.

Решение. Для решения задач на разбавление (смешение) растворов можно применить «правила креста». Суть этого правила заключается в составлении «креста», состоящего из двух пересекающихся линий. В центре указывают концентрацию, которую необходимо получить, у концов линий креста слева – концентрации исходных растворов (большую (а) – сверху, меньшую (b) — снизу), у концов линий креста справа –концентрации (или массы) растворов, которые получают вычитанием из одной величины другой, по направлению стрелочек (по модулю). В общем виде схема решения задач по правилу креста имеет вид:

То есть, из величины а вычитаем х, записываем как ma, и из b вычитаем х, записываем как mb. Таким образом, следует взять mа грамм раствора с массовой долей а% и прибавить к нему mB грамм раствора с массовой долей b% для получения концентрации х.

У нас есть два раствора: вода и серная кислота. Вода - чистый растворитель, следовательно, массовая доля растворённого в ней вещества равна 0%, так как это меньшее значение, записываем его в левом нижем углу. Исходная концентрация серной кислоты 96% - наибольшее значение, записываем в левом верхнем углу. Посередине – искомую концентрацию – 10%.

То есть для получения серной кислоты массовой долей 10 %, необходимо смешать 10 грамм серной кислоты массовой долей 96% и 86 грамм воды.

Но нам нужно узнать, как получить 10% раствор серной кислоты при ее растворении в 1 литре. Поэтому пользуемся пропорцией:

10 г серной кислоты - 86 г воды

х г серной кислоты - 1000 г воды

х = 116,3 г

Ответ: m (серной кислоты) = 116 г

2) Пример задачи. Добавьте в таблицу Менделеева недостающие химические элементы, которые входят в состав чугуна и стали.

Решение. Давайте вспомним, какие элементы входят в IV, V, VI, VII и VIII группы таблицы Менделеева.

Для решения данной задачи для начала необходимо вспомнить, какие элементы входят в состав чугуна и стали: C, Si, P, S, Mn, Fe.

Все знают, что атомный номер углерода – 12, поэтому его место легко найти в таблице. Далее вспоминаем, что углерод и кремний находятся в одной группе и заполняем окошко ниже. Переходим к VI группе, вспоминаем, какие элементы относятся к халькогенам и добавляем недостающий: S. Далее вспоминаем, какая валентность у марганца и располагаем его в группе VII. Остается два окошка. Железо относится к металлам побочной подгруппы, данное окошко свободно в VIII группе. Ну, и наконец, ставим P в V группу.