Урок с элементами деловой игры в 9 классе &quot;Получение алюминия&quot;

Урок с элементами деловой игры в 9 классе

Получение алюминия

Номинация Предметы естественного цикла

Кабыжакова Наталья Валериановна

Учитель биологии и химии

МБОУ «Весенненская СОШ»

Цели и задачи:

1. Обобщить знания учащихся об истории Cаяногорского алюминиевого завода.

2. Сформировать представления о промышленном производстве алюминия.

3. Формировать широту взглядов и ответственность в принятии решений, умение общаться и отстаивать свою точку зрения.

4. Рассмотреть экологические проблемы, связанные с производством алюминия на Саянском алюминиевом заводе.

5. Формировать положительную мотивацию к современному миру профессий, стимулировать профессиональное самоопределение учащихся.

СРЕДСТВА ОБУЧЕНИЯ:

компьютерная презентация «Получение алюминия»,
таблицы растворимости, «Распространённость химических элементов в земной коре» и «Получение алюминия»,
коллекция «Алюминий»,
машиностроительные и бытовые изделия из алюминия и его сплавов.
электрохимический ряд напряжения металлов,
периодическая система Д. И. Менделеева,

План проведения урока.
1. Подготовительный этап.
Учащиеся, используя интернет и СМИ, готовят материал на темы:

история Саяногорского алюминиевого завода;
сырьё, для производства алюминия;
роль алюминия при производстве металлов;
примеси, влияющие на свойства алюминия;
способы получения алюминия;
экологические проблемы, связанные с производством алюминия в городе Саяногорске.

2. Выступления учащихся (в качестве директора, начальника отдела снабжения, химика отдела химической технологии, инженера-технолога, начальника цеха, самих учащихся).

3. Итог урока.

Ход

I. Изучение нового материала.

Вступительное слово учителя.

САЯНСКИЙ АЛЮМИНИЕВЫЙ ЗАВОД (СаАЗ). Один из крупнейших российских производителей алюминия. Расположен в Республике Хакасия, вблизи Саяногорска, в 58 км от Саяно-Шушенской ГЭС, снабжающей завод электроэнергией.

19 января 1976 года в Кайбальской степи началось строительство Саянского алюминиевого завода. «Нам предстоит запроектировать и построить город будущего, - обратился к собравшемуся народу директор будущего гиганта цветной металлургии Василий Стриго на митинге, посвященном этому знаменательному событию. - Необходимо, чтобы все предприятия и организации включились в большую работу по созданию города высокой культуры и быта для трудящихся завода и строителей». В декабре 1978 г. был пуск 1-го агрегата на Саяно-шушенской ГЭС, а в апреле1985 г. на СААЗе был получен чистый алюминий. Сегодня мы будем рассматривать весь процесс получения алюминия на примере СААЗа. В настоящее время развернуты основные мощности первой очереди предприятия, которые позволяют выпускать 380 тыс. тонн алюминия в год. На полную мощность задействованы первые восемь корпусов электролиза и 2 из 3 печей обжига анодов. При этом учитывать рациональное использование сырья и процесс безотходного производства и экологическую обстановку района.

Ребята, во время урока каждый из вас познакомится со сложной работой людей различных специальностей СаАЗа.

Нам надо сформировать творческий коллектив, который бы проделал необходимый объём работы и расчёты по выпуску чистого алюминия на привозимых глиноземах с использованием Саяно-Шушенской ГЭС в условиях г. Саяногорска.

Вас назначили директором СаАЗа. Организуйте выбор следующих:

1. Технолога.

2. Экономиста.

3. Химика-технолога.

4. Начальника отдела снабжения.

5. Инструктора по охране окружающей среды.

Учитель. Вопрос директору:

- Покажите, исходя из электронного строения атома, что алюминий является энергичным восстановителем неметаллов, металлов и их оксидов, составьте уравнение электронного баланса, убедите нас в том, что алюминий прекрасный восстановитель.

(У доски учащийся самостоятельно разбирает строение атома алюминия и записывает уравнения реакций).

Al +13﴿﴿﴿ 1s²2s²2p6 3s²3p¹3d°

Запишите уравнения реакций, доказывающих, что алюминий является хорошим восстановителем. Составьте электронный баланс

2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

2 Al0 – 3e →Al3+

3 Cl2 + 2 e →2Cl-

2Al0+3Cl2 → 2Al3++6Cl-

2Al + 3S = Al2S3

2

Al0 – 3e → Al3+

3 S0 + 2e → S2-

2Al0 + 3S0 → 2Al3+ + 3S2-

Начальнику отдела снабжения:

Учитель. На СаАЗ завозят ж/д путём различные минералы: боксит, нефелины, все эти соединения содержат в себе ценнейший продукт (глинозём), из которого получают чистый алюминий.

Какое сырьё используется для производства алюминия?

Начальник отдела снабжения. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин.

Алюминий в бокситах находится главным образом в виде гидроксидов алюминия (гиббсита, бемита и др.), корунда и каолинита. Химический состав бокситов довольно сложен. Содержание глинозема в них составляет 35—60%, кремнезема 2-20%, оксида Fe2O3 2-40%, окиси титана 0,01-10%. Нефелины, служащие сырьем для производства алюминия входят в состав нефелиновых сиенитов и уртитов. Основные компоненты уртита — нефелин и апатит 3Са3(РO4)2 • CaF2.

Алуниты представляют собой основной сульфат алюминия и калия (или натрия) K2SO4 • Al2(SO4)3 • 4Аl(ОН)3. Содержание Al2O3 в них невысокое (20-22%).

Учитель. Химик отдела химической технологии справится со следующей задачей. Наше современное общество требует большого количества редких металлов (молибден, вольфрам, ванадий, хром, марганец).

Какова роль алюминия при производстве этих металлов? Как называется процесс восстановления металлов из их оксидов алюминием, запишите уравнение реакций. Как влияют примеси на свойства алюминия?

Химик отдела химической технологии. Для алюминия характерны реакции алюминотермии —
восстановления металлов из их оксидов алюминием и протекающие с выделением теплоты.
Алюминотермия используется для получения редких металлов, образующих прочную связь с кислородом: ниобия Nb, тантала Та, молибдена Мо, вольфрама W и др.

2 Аl + 3W3 = 3 W + Аl2О3 и даже

3СаО+2Al=Al2О3+3Са.
Смесь мелкого порошка Аl и магнитного железняка Fе3O4 называется термитом, при поджоге которого выделяется большое количество тепла, и температура смеси повышается до 3500°С. Этот процесс используется при термитной сварке.

8Аl + ЗFе3О4 = 9Fе + 4Аl2О3

На коррозионные, физические, механические и технологические свойства алюминия оказывают значительное влияние примеси различных элементов. Так, например, большинство примесей снижают электропроводность алюминия. Основные примеси в алюминии — железо и кремний. Железо снижает коррозионную стойкость, электропроводность и пластичность алюминия, но несколько повышает его прочность.

Обычная примесь в алюминии — кремний. В сплавах на алюминиевой основе кремний наряду с медью, магнием, цинком, а также марганцем, никелем и хромом вводится в качестве основного компонента.

Примеси кальция и других элементов не имеют практического значения. Небольшие добавки церия, натрия и титана оказывают существенное влияние на структуру и свойства определенных алюминиевых сплавов.

Водород оказывает отрицательное влияние на его свойства, вызывая при литье пористость.

Учитель: Мы и подошли к основной теме урока: электрохимическому получению алюминия и научных принципов, лежащих в основе производства. При производстве алюминия используется электролиз, в результате чего расходуется большое количество электроэнергии. По этой причине большинство заводов расположено вблизи либо мощных ГЭС, либо крупных энергетических установок на дешевом топливе.

Производство 1 т. алюминия требует затрат:

| | |
| --- | --- |
| глинозема, кг | 1925 – 1930 |
| углерода анода, кг | 500 – 600 |
| фтористых солей, кг | 50 – 70 |
| электроэнергии (в переменном токе), кВт-ч | 14500 – 17500 |

Возникает вопрос: как из оксида алюминия получить чистый алюминий?

Учитель. Инженер-технолог СаАЗа на научной основе предложил способ получения алюминия в лабораторных условиях.

Инженер-технолог СаАЗа. а) Впервые Al был получен датским физиком Эрстедом Х. в 1825 г. Название элемента происходит от лат. алюмен, так в древности называли квасцы, которые использовали для крашения тканей. Позже в 1827 г. немецкий химик Фридрих Велер получил алюминий следующим способом: AlCl3 +3K= 3KCl + Al

Этот способ экономически невыгоден и высокая стоимость натрия.

б) В настоящее время алюминий получают электрохимическим путем. Электролитом служит раствор окиси алюминия в криолите. Первым этапом в переработке руды является очистка глинозема от примесей, вторым – тщательное обезвоживание окиси алюминия.
Электролиз ведут при температуре 950 градусов С в железных электрических ваннах (электролизеры). Катодом служит теплоизоляционный материал из угля, наполняющий ванну снизу и с боков. Аноды, изготовленные из угля, монтируются таким образом, что опускаются по мере сгорания.

Уравнение реакции следующее:

Аl2 О3 = 2 Al + 3О

Задание учащимся: Проставьте над знаками соответствующих химических элементов степени их окисления и покажите переход электронов (самостоятельно).

Al 3+ + 3е = Al0 на катоде,
O 2- - 2 е = О0 на аноде,
Аl2O3 = 3Al + 3О

Выделяющийся на аноде кислород вступает во взаимодействие с угольным анодом:

О + С = СО

2О + С = СО2

Обобщение учителя. Электролит, заполняющий ванну, диссоциирует. Катионы направляются к катоду, захватывают от него электроны, т.е. восстанавливаются, превращаясь в электронейтральные атомы. Анионы движутся к аноду, отдают электроны, окисляются и также превращаются в нейтральные атомы. Расплавленный алюминий спускается в ковши, разливается в формы и после охлаждения транспортируется в железных бочках.

Учитель. А теперь послушаем выступления учащихся о применении алюминия. Почему производство алюминия постоянно увеличивается?

Ученик 1. Основным направлением деятельности СаАЗа является производство и переработка первичного алюминия. Мировое производство алюминия постоянно растет и занимает по объему второе место среди металлов.

Продукция завода является достаточно конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынке. Качество изделий СаАЗа отмечено призом “За лучшее качество” (Женева), “Золотым Меркурием” (Париж), призом “Золотой Орел” (Париж).

Алюминий чрезвычайно популярен при производстве кухонной посуды, алюминиевой фольги в пищевой промышленности и для упаковки.

Основной недостаток алюминия— малая прочность, поэтому его обычно сплавляют с небольшим количеством меди и магния (сплав называется дюралюминий).

Алюминий широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при изготовлении проводников в чипах.

Ученик 2.

· Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

· Алюминий является идеальным материалом для изготовления зеркал.

· Алюминий применяют для восстановления редких металлов из их оксидов или галогенидов.

· В стекловарении используются фторид, фосфат и оксид алюминия.

· Алюминий зарегистрирован в качестве пищевой добавки Е173.

· Алюминий и его соединения используются в качестве высокоэффективного ракетного горючего в двухкомпонентных ракетных топливах и в качестве горючего компонента в твёрдых ракетных топливах.

· Алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Учитель. Ребята, на СаАЗе работают люди разных профессий. С некоторыми профессиями вас познакомит начальник цеха.

Начальник цеха. Сложная работа людей различных специальностей СаАЗа. Там работают:

- начальник экструзионного производства: Организует работу и взаимодействие цеховых служб (снабжение, сбыт, склад, производство, вспомогательные участки);

- анодчик в производстве алюминия: обслуживает и проводит текущий ремонт обслуживаемых механизмов;

- выливщик-заливщик металла;

- грузчик, занятый на погрузке и выгрузке глинозема;

- дробильщик, занятый на дроблении (разбивке) пека;

- электрослесарь – контактчик, занятый замером напряжения на шунтах ванн, температуры электролита в ваннах;

- огнеупорщик, занятый на футеровке литейных чаш;

- машинист перегружателей, занятый на перемещении глинозема;

- монтажник на ремонте ванн;

- плавильщик, занятый на разливке алюминия и силумина.

В электролизном цехе работают:

- кладовщик, контролер продукции цветной металлургии, маркировщик, уборщик производственных помещений, крановщик и др.

Учитель: Особое внимание отведено решению экологических проблем. Слово предоставляется экологу.

Эколог. Саяногорск – крупнейший промышленный центр Республики Хакасия. В настоящее время в городе расположено 8 промышленных предприятий, выпускающих 1/4 всей продукции Хакасия.

Основные экологические проблемы алюминиевой промышленности:
Выбросы перфторуглеродов (ПФУ, напр. тетрафторметана, гексафторметана), период распада которых 1 млн лет. Эти соединения фтора и углерода вредны для окружающей среды в силу оказываемого ими влияния на глобальное потепление климата.

Перед алюминиевыми заводами стоит задача: снизить выделение в окружающую среду перфторуглеродов (соединений фтора и углерода).

В Хакасии существует своя мониторинговая служба, которая организует и координирует национальную программу наблюдений за состоянием окружающей среды. В Саяногорске имеются конкретные территории, где систематически проводятся необходимые исследования.
Очистка газов электролиза – производится на современных установках «сухим» способом «Флект» производительностью 940 тыс.м3/час с КПД по фтору и пыли 98,5%.

В цехе электролиза алюминия работает семь комплексных пылезащитных установок 58 аспирационных систем улавливания пыли.

Работают две газоочистки, 34 аспирационные системы, обеспечивающие улавливание по фтористому водороду на 98%, оксида серы 9%, пыли 8%.

РУСАЛ – возвёл санитарно-защитную зону на площади 53 га, это больше 40 тыс. клёнов, вязов и др. деревьев, призванных преграждать дорогу пыли, очищать и обновлять атмосферу.

II. Итог урока. (предлагаются задачи, составленные учащимися с использованием НРК.)

1. Глинозем используют для получения алюминия электролизом в расплаве. Выделившийся на аноде кислород окисляет графитовый анод, образуя углекислый газ. Какая масса алюминия была получена, если в результате реакции на аноде собран газ объёмом 67,2 л (н.у.)?

2. Алюминий впервые получил в 1825г. Х Эрстэд (он использовал реакцию восстановления хлорида алюминия металлическим калием). В 1855г. на Всемирной парижской выставке был продемонстрирован первый слиток алюминия, а уже через год для получения алюминия был приманен электролиз хлорида алюминия. Сейчас промышленный способ получения этого металла – электролиз оксида алюминия, растворенного в расплавленном криолите, комплексной соли состава Na3 (AlF4).Рассчитайте объем (при н.у.) кислорода, который выделяется при получении этим способом 1 т алюминия.

3. На СААЗе алюминий получают из глинозема, который поставляет Индия (Гвинея). Договор заключен на 25 лет – это сырье качественнее и дешевле глинозема Николаевского и Ачинского. Рассчитать какую массу алюминия можно получить из такого глинозема, составной частью которого является оксид алюминия, массой 300 тонн, содержащего 20 % примесей, если практический выход алюминия составляет 80 %.

III. Домашнее задание:

1. Приготовить презентацию – рекламу алюминия.

3. Экскурсия на РУСАЛ.