Математика
Физика
Химия
География
Биология
Экология
Информатика
Экономика
Русский язык
Литература
Музыка
МХК и ИЗО
ОБЖ
История и
 обществознание

Иностранные языки
Спорт и здоровье
Технология
ТОП 20 статей сайта
Рекомендуем посетить

Преподавание химии

Урок-конференция по теме Производство азотной кислоты

Добавлено: 2014.08.15
Просмотров: 248

Важнова Вера Алексеевна, учитель химии

Разработанный урок-конференция в форме делововой игры по теме: "Производство азотной кислоты" может быть проведена и на факультативных занятиях. В ходе деловой игры используются различные формы и методы игрового обучения.

Для проведения игры необходимы ТСО (учебное телевидение, магнитофон, графопроектор.компьютор), длинный стол, расположенный в центре помещения. На столах перед представителями отделов должны быть таблички с указанием должности играющего. Целесообразно оформить выставку специальной справочной литературы, подготовить экран, плакаты, слайды, кинофрагменты, технологические схемы и другие средства наглядности.

Блок-схема ролевой игры содержит три этапа:

Подготовительный этап: установка на игру - вводная лекция - беседа, распределение главных ролей и формирование отделов; ознакомление с пакетом - заданием и консультация (сюда же относят проведение индивидуальных консультаций).

Игровой этап: проведение конференции, в начале которой формулируется задача разработать оптимальные условия синтеза азотной кислоты (предложить схему и ее решение).

Заключительный этап: заключительная речь главного инженера, обсуждение игры, контрольное сочинение и награждение победителей.

На подготовительном этапе большое значение имеет вступительная беседа-лекция учителя- В беседе учитель формулирует цели и задачи игры, сообщает, что деловая игра в классе будет имитировать работу научно-исследовательского института, который получил "правительственное" задание по разработке оптимальных условий синтеза азотной кислоты и составлению технологической схемы производства. В беседе с учащимися он особое внимание обращает на важность, актуальность и серьезность стоящей перед страной проблемы увеличения производства химической продукции. Речь учителя должна увлечь, заинтересовать ребят, ибо от внутреннего настроя учащихся будет зависеть ход игры.

На подготовительном этапе распределяют главные роли и формируют состав отделов.

Работу НИИ представляют следующие отделы".

  1. теоретический,
  2. технологический,
  3. экономический,
  4. техники безопасности,
  5. охраны окружающей среды, а также группа оппонентов,
  6. агроном.

Главные роли:

  1. директор НИИ;
  2. химик-инженер;
  3. историк;
  4. начальники всех отделов.

Претендентов на главные роли выбирают учащиеся класса под руководством учителя с учетом уровня знаний и индивидуальных особенностей учеников. В состав каждого отдела входят 3-5 человек. Группы формируются по желанию.

Участники каждого игрового отдела, получив пакет-задание, знакомятся с его содержанием, уясняют цель и задачи, поставленные перед отделом, формулируют вопросы, по которым требуется консультация преподавателя.

Индивидуальная консультация назначается поочередно с сотрудниками всех отделов во внеурочное время, при этом учащиеся могут получить справку по всем интересующим их вопросам, которые возникли у них в ходе работы со специальной, справочной и дополнительной литературой.

Задание дается в конвертах или папках и содержит должностную характеристику и все необходимые установки для игры. Приведем содержание пакетов-заданий для всех отделов НИИ и исполнителей главных ролей.

Директор НИИ.

Открывает конференцию вступительным словом о роли азотной кислоты в народном хозяйстве, его значение в химической промышленности. Формулирует "Правительственное" задание: "Разработать оптимальные условия синтеза азотной кислоты, составить технологическую схему производства". Раскрывает сущность проблемы и актуальность. Сообщает участникам игры, что в процессе обсуждения задания работа всех отделов НИИ будет оцениваться по качеству выступлений, рациональных предложений, выдвинутых в ходе дискуссий, критических замечаний и к другим отделам. Предоставляет слово главному инженеру, который руководит дальнейшей работой участников конференции.

В заключение конференции директор дает оценку работе отделов и главных действующих лиц, дает задание всем отделам: составить отчет о проделанной работе на подготовительном этапе (с указанием использованной литературы) и в ходе конференции.

Химик. Правая рука директора "дирижер игры". Записывает уравнения реакции получения азотной кислоты и формулирует основные проблемы, по которым будет происходить дискуссия:

1) выбор состава газовой смеси;

2) выбор оптимальной температуры;

3) выбор оптимального давления;

4) подбор наиболее выгодных катализаторов;

5) источники сырья;

6) технология процесса;

7) техника безопасности;

8) экология.

Во время игры главный инженер поочередно предоставляет слово представителям всех отделов НИИ и оппонентам. Руководит ходом игры. Наводящими вопросами и отдельными репликами побуждает играющих к дискуссии.

На заключительном этапе игры в своем выступлении рассказывает о вкладе НИИ в разработку оптимальных условий производства азотной кислоты.

Историк. Делает сообщение об истории промышленного получения азотной кислоты, дает краткую характеристику различным способам его производства, отмечает их достоинства и недостатки, называет наиболее перспективный способ получения азотной кислоты. Ответ должен опираться на уравнения реакций, лежащих в основе производства всех способов получения азотной кислоты (можно использовать графопроектор) и быть по возможности кратким и четким.

Теоретический отдел. Задача сотрудников отдела - предложить и обосновать оптимальные условия, необходимые для максимального выхода азотной кислоты.

Представители отдела должны знать технологию производства, устройство и принципы действия основных и вспомогательных аппаратов.

Отдел изучает аппаратуру для получения азота и водорода из источников сырья и вспомогательную аппаратуру для очистки газов от примеси. Решает следующие вопросы:

  1. Перспективное развитие предприятия,
  2. Его техническое совершенствование,
  3. Возможность создания новых технологий производства азотной кислоты.

Экономический отдел. Основная задача сотрудников отдела - это повлиять на ход обсуждения при выборе оптимальных условий производства кислоты так, чтобы он был по возможности наиболее выгодным с экономической точки зрения. При проектировании новых крупных промышленных установок необходимо добиваться максимального снижения энергоматериальных и капитальных затрат, себестоимости выпускаемой Продукции.

Отдел техники безопасности. Сотрудники отдела решают вопросы безопасности работы при производстве кислоты. Делают сообщения: техника безопасности (указывают на возможность взрывов, пожаров и меры и их предотвращения); признаки отравления аммиаком и правила оказания первой медицинской помощи; способы хранения и транспортировки кислоты; правила работы с веществами, используемыми при синтезе азотной кислоты.

Отдел защиты окружающей среды. Работники отдела должны знать состав выбросов, образующихся при производстве азотной кислоты, способы предотвращения вредного воздействия их на окружающую среду. В выступлении на конференции необходимо показать взаимосвязь между производством и состоянием окружающей среды; убедить присутствующих в необходимости бережного отношения к природе; обосновать гражданскую ответственность за охрану природы от вредного воздействия производства;

Предложить способы утилизации отходов.

Оппоненты. Задача оппонентов заключается в том, чтобы оживить игру. Для этого необходимо разработать вопросы, которые вовлекли бы участников игры в дискуссию. Эти вопросы должны быть предназначены всем отделам НИИ. В отчет следует включить все вопросы и замечания по работе отделов.

Перед началом игры каждый начальник отдела зачитывает поочередно состав своего отдела, а участники занимают приготовленные для работы места.

Подобные игры воспитывают у учащихся чувства товарищества, навыки совместной деятельности, правила поведения в ходе дискуссии.

ХОД УРОКА

Учитель: Внимание! Сегодня к нам в гости пришли представители АООТ "Азотный". На этой встрече вы узнаете все особенности производства азотной кислоты, его значение для народного хозяйства. В ходе встречи вы должны внимательно слушать, записывать в тетрадь интересные факты, определения, схемы. В конце встречи гости ответят на все ваши вопросы. Итак, предоставляем слово делегации АООТ "Азотный".

Руководитель производства: Сегодня к вам в гости пришли люди разных профессий, которые работают на нашем предприятии по производству азотной кислоты. Это: химик, технолог, катализаторщик, биолог - эколог, агроном, историк. Нас окружает множество вещей и материалов, без которых мы не представляем себе современной жизни. Анилиновые краски, целый мир электроники, взрывчатые вещества, необходимые при прокладке тоннелей и строительстве плотин, минеральные азотные удобрения - все эти продукты получают с использованием азотной кислоты.

Историк: Вот почему уже в XIV веке азотная кислота, единственная минеральная кислота, являлась продуктом кустарного производства. До начала XX века технология ее производства базировалась на использовании природной селитры.

NаNОз + Н2SO4 = HNO3 + NаНSO4

Выделенную азотную кислоту конденсировали в холодильниках, поглощали водой, собирали и хранили в стеклянных бутылях.

Руководитель производства: Азотная кислота редко выходит за пределы химического предприятия, но она незримо присутствует в окружающем нас предметно - вещественном мире. Очень часто, глядя на тот или иной предмет, будь то лекарство или какой - то синтетический шелк, мы и не предполагаем, каким глубоким химическим взаимодействиям подвергалось исходное вещество, прежде чем предстало перед нами в своем конечном качестве. Производство азотной кислоты наряду с другими производствами у нас определяет индустриальный и культурный уровень страны, мощь ее промышленного потенциала, уровень развития химической промышленности.

Биолог-эколог: Да, все хорошо было бы, но уже в конце века стало ясно, что природная кладовая чилийской селитры не может удовлетворить все возрастающую нужду в азотной кислоты. Природная кладовая связанного азота была близка к исчерпанию: селитра стала источником азотных удобрений для сельского хозяйства. Потребление нитратного азота в промышленности и сельском хозяйстве быстро росло.

Химик: Поэтому это вызвало тревогу у нас специалистов в области науки, возникла острая общественная необходимость решения проблемы получения связанного азота на неисчерпаемой базе азота воздуха. Это был социальный заказ человечества науке. И этот заказ был выполнен. В 1905 году был разработан дуговой метод получения кислоты из воздуха.

Историк: Технология производства концентрированной азотной кислоты, например в России, разработал инженер И.И. Андреев, предложивший использовать аммиак, образующийся при коксовании угля. Под его руководством была изготовлена и первая промышленная установка (1914 -1915гг.). Андреев вместе со своими помощниками инженерами Н.М. Кулепетовым и А.К. Колосовым построил в Донбассе первый в мире завод по производству азотной кислоты.

Химик:В основе химического производства азотной кислоты лежат следующие химические реакции, соответствующие схеме превращений:

NH3 -> NO -> NO2 -> HNO3

Обратите внимание на таблицу на доске, где указаны основные химические характеристики, которые необходимо учитывать при производстве азотной кислоты (учащиеся смотрят на доску).

Итак, первая стадия - окисление аммиака на катализаторе. Одновременно с этой основной реакцией могут протекать и побочные, например:

4NH3 +3O2 = 2N2+6H2O+Q

Для их предупреждения время контакта газовой смеси (NH3 + O2) с катализатором должно быть очень мало (порядка 10-4 c) Необходимо также иметь в виду, что смеси аммиака с воздухом и с кислородом взрывоопасны, поэтому содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси должно контролироваться и не должно превышать 10 -15%.

Катализаторщик: Катализатор окисления состоит из сплава платины с родием (или паладием) и оформлен в виде сеток, сплетенных из тонких (0,09 мм) нитей сплава. В условиях высоких температур контактирования и высоких скоростей газовых потоков, продуваемых через платиновые сетки, они механически изнашиваются, что приводит к значительным безвозвратным потерям дорогостоящей платины. Поэтому ведутся исследования. Во многих случаях уже используют платиновые катализаторы на основе кобальта, железа, хрома.

Химик: Далее идет вторая стадия процесса - перевод полученного оксида азота (II) в HNO3. Технологической особенностью этой стадии является медленное протекание реакции и снижение скорости растворения N0; в воде по мере насыщения (повышения концентрации) получаемой кислоты. Это требует наличие поглотительных установок больших объемов и указывает на неизбежность выбросов NO в атмосферу. Однако повышение давления в этой стадии ускоряет процесс окисления NO и поглощения NO2. Объем поглотительных установок при этом резко снижается, а концентрация HNO3 возрастает.

Технолог: Поэтому процесс получаемой азотной кислоты в промышленности протекает в несколько стадий (учащиеся открывают учебник рис.21 стр.57):

1. Подготовка аммиачно-воздушной смеси. Ее получают непосредственно перемешиванием NН3 с воздухом, предварительно очищенного от примесей. Эта смесь поступает в контактный аппарат, где под влиянием катализатора (Рt - Rh сетки) происходит окисление NH3 ( см. таблицу на доске), т.к. эта реакция экзотермическая, то необходимая температура поддерживается за счет выделения теплоты реакции. И здесь происходит вторая стадия производства НNO3 - окисление NН3 до оксида азота (II).

2. Окисление оксида азота (П) до оксида азота (IV). Так как эта реакция идет при обычной температуре, поэтому выходящую из контактного аппарата газовую смесь, содержащую N0;, охлаждают, пропуская ее в паровой котел-утилизатор, где получают водяной пар. Наступает последняя стадия.

3. Поглощение NO2 водой и получение НNO3. Газовую смесь, содержащую NO2, направляют в поглотительную башню, которая для увеличения поверхности соприкосновения газа с водой заполнена фарфоровыми кольцами (для увеличения площади взаимного контактирования веществ). Вода в башню поступает сверху, а газовая смесь, содержащая оксид азота (IV) - снизу - смешивание и взаимодействие идет по принципу противотока. Условием является избыток кислорода, тогда не будет в результате реакции выделятся NO:

3NO2+H2O -> 2HNO3+NO

Так как реакция с водой экзотермическая, а при температуре разлагается, то а обычных условиях получают раствор HNOз концентрацией не менее 60%. Более концентрированную НNОз получают. добавляя концентрированную Н2s04 в качестве водоотнимающего средства.

Биолог-эколог: Производство азотной кислоты долгое время находилось в противоречии с требованиями экологически чистого производства. Даже еще сейчас у нас на планете можно увидеть, над выхлопной трубой заводов, производящих HNO3 , "лисий хвост". Дело в том, что как мы уже говорили, превращение NO в NO2 , поглощение NO2 водой - процессы медленные. Для того чтобы снизить содержание оксидов азота в отходящих газах с 0,25 до 0,05%, требуется вдвое увеличить удельный объем абсорбционной аппаратуры. Это резко повышает стоимость аппаратуры, возрастает амортизационные расходы, а следовательно, и стоимость. Из выхлопных труб и выбрасывают NO (бесцветный газ), который попадает в воздух, превращается в красновато-бурый газ NO2 - вред растительному и животному миру, вызывают коррозию машин, механизмов, трубопроводов, сокращает срок службы строений. Поэтому установление ПДК (предельно допустимые концентрации) обязательно для оксидов азота в воздухе, которые для рабочих зон составляют в пересчете на NO2 5 мг/м3, а для приземного слоя населенных мест всего лишь 0,086 мг/м3 .

Химик: Чтобы выполнить эти жесткие санитарные требования, необходимо снизить содержание оксидов азота в выхлопных газах заводов, производящих НNO3 до 0,01%. Это достигается применением адсорбентов в виде растворов щелочей, Н2SO4; наиболее радикальным методом, освоенным в промышленности, является восстановление оксидов азота до молекулярного азота различными восстановителями (Н2, СН4),

Биолог-эколог: Задача химиков заключается не только в производстве больших количеств азотной кислоты и азотных удобрений, но и в том, чтобы производить их и использовать экологически безупречно, только с использованием очистки, с пользой для природы и общества. Здесь много не решенных задач еще есть. Укажем одну из них: создание долговременно действующих азотных удобрений, которые бы хорошо усваивались растениями, но не вымывались бы из почвы. Много не решенных задач и в области получения самих нитратов и азотной кислоты.

Агроном: В составе удобрений используют нитраты аммония, калия, натрия, кальция. Следует по-видимому, подробнее остановиться на "нитратной проблеме" в сельскохозяйственном производстве. Необходимо ясно представить, что само по себе присутствие нитратов в растениях (в отличии, например, от ядохимикатов) - явление, совершенно естественное. Речь идет лишь о том, что неправильное использование минеральных удобрений приводит к накоплению нитратов в плодоовощной продукции выше всяких допустимых пределов. В дальнейшем поступающем в организм с растительной пищей нитраты в ходе биохимических превращений преобразуются в вещества, которые могут стать причиной ряда заболеваний, в том числе онкологических. Для снижения концентрации нитратов в готовой продукции необходимо в первую очередь применять комплекс удобрений, правильно сбалансированный по соотношению основных элементов питания растений. Кроме того, за 1 - 1,5 месяца до уборки урожая следует прекратить азотные подкормки. Местные агрохимические службы обязаны уточнять рекомендованные методики применения удобрений с учетом конкретных условий (выращиваемые культуры, почвы, климат и т.д.), а также контролировать качество получаемой продукции. Обладателям садовых и приусадебных участков можно порекомендовать поддерживать самые тесные контакты с подобными организациями, которые помогут их грамотно и без нежелательных последствий использовать достижения современной химии.

Руководитель производства: Не смотря на еще не все решенные проблемы в производстве НNО3, учитывая значимость и особенности производства НNО3, мощность современного производства азотной кислоты огромна и продолжает расти. В капиталистических и развивающихся странах еще в 1965 г. она составляла 12,4 млн. т, а в 1980 достигла 25 млн. т. В России за 20 лет выросла более чем в 5,5 раза.

Заключительное слово учителя.

1. Конференция прошла плодотворна и достигла поставленной цели: рассмотреть. как развивалось производство азотной кислоты во времени и ее применение в народном хозяйстве.

2. Материалы предоставленные учениками показывают умение использовать не только школьную литературу. но и дополнительно научно - популярные источники.

3. Многие приведенные фактические примеры иллюстрируют связь с другими предметами: историей. географией .биологией . экологией.

На доске таблица. Сравнительная характеристика химических реакций, лежащих в основе производства азотной кислоты, и условия их протекания

Признаки сравнения Условия протекания
Уравнения химической реакции Обратимая и необратимая реакция Экзотермическая реакция Гомогенная и гетерогенная Т0 kt p
4NH3+5O2=4NO+6H2O Необратимая +Q Гетерогенная 800-850o Pt-Rh -
2NO+O2=2NO2 Обратимая +Q Гомогенная - - 1 Мпа
4NO2+O2=4HNO3 Обратимая +Q Гетерогенная - - 5 Мпа

x