"Производство серной кислоты"

"Производство серной кислоты"

Впервые учащиеся встречаются с изучением химического производства по теме «Сера» в 9-м классе. До этого роль химии в жизни, в народном хозяйстве освещалась только в связи с применением отдельных веществ. Поэтому при изучении данной темы целесообразно поставить следующие цели: на основе изучения производства серной кислоты сформировать у учащихся общее представление о химической технологии, ознакомить с научными принципами производства; развивать умения работать в коллективе единомышленников при решении учебных задач; развивать навыки решения теоретических и практических задач по химии с политехническим содержанием.

Оборудование и реактивы. На столах каждой группы учащихся находятся: учебник химии для 9-го класса (авторы , , ), рисунки с изображением аппаратов и процессов, происходящих при производстве серной кислоты, задания для проверки материала, изученного на уроке; раствор лакмуса, 0,5%-й раствор серной кислоты, два стакана на 100 мл, две стеклянные палочки, яичная скорлупа, порошок цемента, ступка и пестик.

1. Теоретическая часть занятия;

Месторождений серной кислоты на Земле не обнаружено. В природе серная кислота может образоваться в атмосфере за счет окисления поступающего в нее сернистого газа SO2, сейчас этот газ стал главным загрязнителем окружающей среды. Если раньше его основными «поставщиками» были вулканы, то сейчас большая часть сернистого газа имеет антропогенное происхождение. Образующаяся в атмосфере сернистая и серная кислоты возвращаются на Землю в виде кислотных дождей.

2. Рефлективное наблюдение, в ходе которого обучаемые обдумывают и обсуждают новый материал; выполнение заданий по анализу кейс-технологии, решение задач;

3. Обобщение и анализ, когда обучаемые вводят полученную новую информацию в систему уже имеющихся у них знании устанавливают между ними связи для применения ее при анализе и принятии управленческих и профессиональных решений;

4. Подведение итогов обсуждения, выполнения групповых заданий; краткий обзор пройденного на занятии материала, его закрепление, обратная связь, рефлексия;

5. Стадия самостоятельного применения, новых знаний на практике в проектных и творческих заданиях, требующих от обучаемого демонстрации собственных идей и мыслей, самостоятельной работы вне аудитории.        

  Девиз урока:

Процесс современного производства обеспечивается слаженной работой людей различных специальностей.

  Цель урока:

Обобщить знания учащихся о научных принципах производства в свете требований современной технологии. Раскрыть перспективы развития производства серной кислоты. Подчеркнуть роль науки в совершенствовании химической промышленности, загрязнение атмосферы выбросами химических предприятий по производству серной кислоты.

Ход урока

Вступительное слово учителя.

  "Едва ли найдется другое искусственно применяемое в технике, как H2SO4. Где нет заводов для ее добывания немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющее важное техническое значение." Серная кислота известна с древности, встречаясь в природе в свободном виде, например, в виде озер вблизи вулканов. Возможно, первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса «зеленого камня», встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну.

В IX веке персидский алхимик Ар-Рази, прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO4•7H2O и CuSO4•5H2O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимикАльберт Магнус, живший в XIII веке.

В XV веке алхимики обнаружили, что серную кислоту можно получить, сжигая смесь серы и селитры, или из пирита — серного колчедана, более дешевого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. И только в середине 18 столетия, когда было установлено, что свинец не растворяется в серной кислоте, от стеклянной лабораторной посуды перешли к большим промышленным свинцовым камерам.

Сегодня мы отправимся на завод по производству серной кислоты. Нам необходимо разделиться на четыре группы. Первая группа  работает сегодня в  отделе главного технолога; вторая группа работает с экологическим надзором, третья группа работает в  центральной заводской лаборатории, а четвертая группа познакомится с работой отдела реализации и сбыта готовой продукции.

Класс делится на 4 рабочие группы: 

Отдел главного технолога; Экологический надзор

3. Центральная заводская лаборатория4

4. Отдел реализации и сбыта готовой продукции;

Каждой группе предлагаются вопросы для обсуждения и дискуссии.

Отдел главного технолога

Выделить все цеха по производству H2SO4. Знать назначение и режим работы всех аппаратов. Выделить научные принципы вашего производства.

Экологический надзор

Какие экологические проблемы возникают при производстве серной кислоты. Как Вы решаете экологическую проблему на вашем производстве.

Центральная заводская лаборатория

Химизм каждой стадии производства серной кислоты. Техника безопасности при работе с серной кислотой. Качественные реакции на H2SO4.

Отдел реализации и сбыта готовой продукции

Охарактеризуйте продукт вашего производства. Перечислите смежные организации, с которыми Вы работаете. Основные потребители Вашей продукции.

Работа в рабочих группах и  дискуссия 15 мин.

Слово предоставляется представителю:

Отдел главного технолога

Главный технолог - Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Объясняется это и тем, что она самая дешевая из всех кислот, а также ее свойствами. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых сильных кислот, в широком диапазоне температур (от –40.-20 до 260-336,5 єС) находится в жидком состоянии.

1 технолог - Основные стадии получения серной кислоты:

Обжиг сырья с получением SO2 Окисление SO2 в SO3 Абсорбция SO3

Центральная заводская лаборатория

Главный лаборант - В промышленности применяют два метода окисления SO2 в производстве серной кислоты: контактный — с использованием твердых катализаторов (контактов), и нитрозный (башенный) —с оксидами азота.  Первая башенная система появилась в Германии в 1907 г. Получаемая при нитрозном методе серная кислота – не особенно чистая и не концентрированная, поэтому область ее применения ограничена. В таких производствах, как получение взрывчатых веществ, или в органическом синтезе, нужна более концентрированная и более чистая кислота, получаемая другим методом – контактным. Контактный способ вытесняет нитрозный.

1 лаборант - Контактный способ производства серной кислоты – многостадийный процесс. В большинстве случаев сырьем для производства серной кислоты контактным методом является серный колчедан (FeS2), а также сульфиды цветных металлов. Серный колчедан широко распространен в природе, среднее содержание серы в руде колеблется от 40 до 50%, кроме того, руда содержит примеси соединений кобальта, никеля, мышьяка, селена, меди, кремнезем, карбонаты кальция и натрия, оксид алюминия, серебро, золото.

2 лаборант - Ниже приведены реакции по производству серной кислоты из минерала пирита на катализаторе — оксиде ванадия (V).

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 2SO2 + O2 (V2O5) → 2SO3 SO3 + H2O → H2SO4

Отдел главного технолога

2 технолог -  Известно сотни веществ, ускоряющих окисление SO2 до SO3, три лучших из них в порядке уменьшения активности: платина, пятиокись ваннадия и окись железа. При этом платина отличается дороговизной и легко отравляется примесями, содержащимися в газе SO2, особенно мышьяком. Окись железа требует высоких температур для проявления каталитической активности (выше 625 гр. C).

Таким образом ванадиевый катализатор является наиболее рациональным, и только он применяется при производстве серной кислоты.

3 технолог - Нитрозный метод получения серной кислоты

SO2 + NO2 → SO3 + NO↑. 2NO+O2 → 2NO2

При реакции SO3 с водой выделяется огромное количество теплоты и серная кислота начинает закипать с образованием "туманов" SO3 + H2O = H2SO4 + Q Поэтому SO3 смешивается с H2SO4, образуя раствор SO3 в 91% H2SO4 - олеум

Центральная заводская лаборатория

3 лаборант - При работе на нашем производстве четко соблюдается техника безопасности Серная кислота и олеум — очень едкие вещества. Они поражают кожу, слизистые оболочки, дыхательные пути (вызывают химические ожоги). При вдыхании паров этих веществ они вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит,   бронхит и т. д.

4 лаборант - Предельно допустимая концентрация аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/мі, в атмосферном воздухе 0,3 мг/мі (максимальная разовая) и 0,1 мг/мі (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности II.

Экологический надзор

1 эколог - Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей. Кислотные осадки во многих районах мира настолько повысили кислотность озер, что жизнь их обитателей оказалась под угрозой. Борьба с этим явлением до сих пор сводилась к внесению в воду извести. Однако ее применение имеет целый ряд недостатков.

2 эколог-  Известь – вещество едкое, может вызвать ожоги у рабочих, занимающихся ее внесением, у рыб и растений, а также гибель микроорганизмов; растворение извести и ее нейтрализация приводит к местному разогреву воды, что вызывает кислородное обеднение воды; существенно повышается жесткость воды.

3 эколог - Кроме самих соединений серы экологические проблемы могут вызывать и соединения, находящиеся в составе серосодержащих руд. Например, селен, который входит в состав серосодержащих руд и выделяется в атмосферу при обжиге пирита. Селен может заменять серу в аминокислотах (метионине, цистеине, цистине) и включаться в обмен веществ. Избыток селена в растениях (до 5•10–6 %) вызывает облысение овец и болезни их копыт, выпадение перьев у птиц, нарушение координации движений у животных.

4-й эколог - Другой отход производства – пиритный огарок. Огромные его количества занимают значительные территории пахотных земель, сильно запыляют атмосферу, создавая тем самым угрозу для здоровья людей.

Слово предоставляется представителю отдела реализации и сбыта готовой продукции.

Он рассказывает о продуктах, о смежных организациях, о потребителях.

1 специалист - Реклама - Области применения серной кислоты чрезвычайно обширны. Существенная ее часть используется как полупродукт в различных отраслях химической промышленности, прежде всего для получения минеральных удобрений, а также солей, кислот, взрывчатых веществ. Серная кислота применяется и при производстве красителей, химических волокон, в металлургической, текстильной, пищевой промышленности и

т. д.

2 специалист - На доске вычерчивается схема: Области применения H2SO4.

в производстве минеральных удобрений; как электролит в свинцовых аккумуляторах; для получения различных минеральных кислот и солей; в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ; в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности; в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513  (эмульгатор); в промышленном органическом синтезе в реакциях:
дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров); гидратации; сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей); Для восстановления смол в фильтрах на производстве дистилированной воды.

3 специалист - Мировое производство серной кислоты ок. 160 млн тонн в год. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На 1 т P₂O₅ фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH₄)₂SO₄ — 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Заключительное слово предоставляется отделу главного технолога:

4 технолог - В производстве H2SO4 соблюдены основные направления развития химической промышленности:

1.Технология малоотходная – переход сырья в целевой продукт достигает 99,9 %.

2.Энергосберегающее, так как процесс обеспечивает сам свое энергосбережение.

Эта химическая технология обладает рядом функций и рядом достоинств:

1.Рациональное использование сырья и энергии.

2.Масштабность и дешевизна.

ВЫВОД: процесс экономичен,  прост, эффективен, Хорошо отработан в производстве.

Подведение итогов обсуждения. Выполнение заданий:

Отдел главного технолога вам необходимо :составьте по предложенной схеме уравнения реакций. Отметьте реакции обмена, разложения, соединения; реакции, происходящие с изменением и без изменения степеней окисления элементов в веществе. FeS2 S SO2 SO3 (р-р) CuSO4.

Центральная заводская лаборатория Задача: Сколько тонн H2SO4 можно получить из 2,4 т. пирита.

Отдел реализации и сбыта готовой продукции Серная кислота имеет разнообразное применение. В таблице найдите соответствие между свойствами серной кислоты и областями ее применения.

Ответ. 1-г; 2-в; 3-а; 4-б; 5-е; 6-д; 7-ж.

Таблица 1

Свойства серной кислоты	Области применения
Реакция обмена с солями (1). Реакция обмена с оксидами и гидроксидами (2). Взаимодействие раствора с металлами (3). Водоотнимающие свойства (4). Взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами (5). Реакция неполного обмена с фосфатом кальция (6). Нейтрализация раствором аммиака (7)	Получение водорода в аппарате Киппа (а). Высушивание веществ (б). Очистка поверхности металлов от ржавчины (в). Получение кислот (г). Получение простого суперфосфата (д). Травление чистых металлов (е). Получение сульфата аммония (ж)

Экологический надзор Расположите виды серосодержащего сырья в ряд по убыванию процентного содержания в них серы: цинковая обманка (ZnS), халькопирит (CuFeS2), серный колчедан (FeS2).

Ответ. FeS2, CuFeS2, ZnS.

  Подводится итог работы.

  Домашнее задание:

  Составьте бизнес-проект по технической химии. В Вашем распоряжении имеется сырье – пирит. Ваша задача – создать новое производство на имеющемся сырье, показать возможности создания других производств. Отразить применение, общие принципы и методы производства, схему производства, указать химические реакции.

  Составьте кроссворд на тему «Серная кислота»

Проверка знаний по теме «Производство серной кислоты»

Задание 1

1. Перечислите в правильном порядке названия аппаратов, используемых в производстве серной кислоты контактным способом:

1) печь для обжига в кипящем слое;

2) сушильная башня;

3) циклон;

4) поглотительная башня;

5) теплообменник;

6) электрофильтр;

7) контактный аппарат.

2. В каких из перечисленных в вопросе 1 аппаратах происходят химические реакции при производстве серной кислоты?

3. Какие из перечисленных ниже условий увеличивают скорость реакции:

4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2?

4. Какие из перечисленных ниже условий увеличивают скорость реакции:

2SO2 + O2 2SO3?

5. Какие из перечисленных ниже условий увеличивают скорость реакции:

SO3 + H2O H2SO4?

Варианты ответов к вопросам 3–5.

Условия, влияющие на скорость реакции:

1) измельчение сырья;

2) повышение температуры;

3) увеличение поверхности соприкосновения реагирующих веществ;

4) использование катализатора;

5) увеличение давления.

6. Напишите химические формулы следующих веществ: пирит, печной газ, олеум, серная кислота.

Л и т е р а т у р а

, , Химия-9. М.: Вентана-Граф, 2004; , Проверь свои знания по неорганической химии. М.: Просвещение, 1981; Книга для чтения по неорганической химии. М.: Просвещение, 1974; , , Творчество учащихся на практических занятиях по химии. М.: Аркти, 1999; , Как учить экологии. М.: Просвещение, 1995; Преподавание химии в 7–8 классах. М.: Просвещение, 1969; Общая химическая технология. М.: Химия, 1979.

Урок  адаптирован, поводится  по методике  Трофимовой Валентины Александровны