Преподавание химии

Урок-конференция по теме Производство азотной кислоты

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,
• игровой,
• заключительный.

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