Урок химии в 10 классе «Производство серной кислоты контактным способом»

Предмет: химия

Класс: 10

Тема урока: Производство серной кислоты контактным способом.

Цель урока: Формирование функциональной грамотности по естественнонаучным знаниям.

КЛАСС: технология

Подкласс: Отходы.

Цель урока: Выявить основные возможные экологические проблемы при сернокислотном производстве. Предложить возможные пути их решения.

Учебные задания

1-ый уровень

Учитель

Ученики

Тема урока «Производство серной кислоты контактным способом».

О чем пойдет речь? Давайте составим вопросы, по которым необходимо провести урок.

1. Основные этапы производства.

2. Постановка проблем экологического характера, пути их решения.

3. Привести конкретные примеры ситуаций на производстве, предложить их решение с химической точки зрения (работа в группах).

4. Обобщить и сделать выводы.

2-ой уровень

Учитель

Ученик

2. Рассмотрите схему сернокислотного производства контактным способом;

запишите в тетради основные этапы производства, реакции, происходящие при этом, отметьте виды сырья.

Процессы

1.Обжиг пирита, Получение оксида серы (II). Очистка печного газа.

Уравнение реакции первой стадии:
4FeS₂ + 11O₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q
Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800⁰С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.

Очистка печного газа

Из печи выходит печной газ, состав которого: SO₂, O₂, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.
Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение.
Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ представляет собой смесь оксида серы SO₂ и кислорода О₂.

2. Окисление SO₂ в SO₃кислородом.

Протекает в контактном аппарате.
Уравнение реакции этой стадии:
2SO₂ + O₂ 2SO₃ + Q
Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO₃):
а) температура 400-500⁰С
б) давление

3. Получение H₂SO₄

nSO₃ + H₂SO₄ H₂SO₄·nSO₃
Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Сырьё, используемое для производства серной кислоты

1.

Самородная сера S

2.

Пирит (серный колчедан) FeS2

3.

Сероводород H2S

4.

Сульфиды цветных металлов ZnS, Cu2S

3-ий уровень

Учитель

Ученик

Работа в группах:

1. Подумайте и ответьте на вопросы:

1. Образовавшийся оксид железа Fe₂O₃ (огарок) в производстве серной кислоты не используют, что с ним происходит, представляет ли он химическую опасность для окружающей среды?

2. А почему на стадии производства оксид серы SO₃ не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде:

SO₃ + H₂O H₂SO₄.

3. Какие экологические проблемы возникают при производстве серной кислоты?

4. Какие меры предосторожности необходимо соблюдать при работе с кислотами.

(Предполагаемые ответы)

а) Огарок собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).
Таким образом выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

b) дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H₂SO₄·nSO_3.

с) 1. 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. 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. 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-ый уровень

Учитель

Ученик

Сформулируйте ответы на предложенные вопросы, подумайте и предложите как может столкнуться с подобными ситуациями не только рабочий на сернокислотном предприятии, но и обычный житель местности, где расположен завод, предложите выход и решение проблемы.

Отвечает спикер от группы

5-ый уровень

Учитель

Ученик

Решите задачу, объясните чем условия задачи могут быть полезны в производстве

1 вариант:

Какой объем 0,2 М раствора серной кислоты (H2SO4) требуется для нейтрализации 2,8 миллилитров 2 М гидроксида бария (Ba(OH)2)?

2 вариант:

Для образования средней соли к 40 миллилитрам раствора серной кислоты (H2SO4) с плотностью 1,025 г/мл добавили 43,2 миллилитра 7,4-процентного раствора гидроксида калия (KOH) с плотностью 1,06г/мл. Рассчитайте массовую долю серной кислоты в растворе

1 вариант:

Решение задачи

Напомню, что под реакцией нейтрализации (от лат. neuter - ни тот, ни другой) понимают взаимодействие кислот с основаниями, в результате которого образуются соли и вода.

Запишем уравнение реакции серная кислота нейтрализация нейтрализации гидроксида бария (Ba(OH)2) серной кислотой (H2SO4):

Напомню, что под молярной концентрацией понимают количество (число моль) данного вещества, содержащегося в единице объема раствора. Молярную концентрацию выражают в моль/л или используют сокращение «M».

По формуле вычислим,сколько моль содержится в 0,0028 л гидроксида бария (Ba(OH)2):

Получаем:

n (Ba(OH)2) = 2 ⋅ 0,0028 = 0,0056 (моль).

Из уравнения реакции серная кислота нейтрализация видно, что на нейтрализацию 0,0056 моль 2 М гидроксида бария (Ba(OH)2) надо 0,0056 моль 0,2 М серной кислоты (H2SO4).

Найдем объем 0,2 М раствора серной кислоты (H2SO4), составим пропорцию:

в 1 л раствора серной кислоты должно содержаться 0,2 моль H2SO4

в х л раствора серной кислоты должно содержаться 0,0056 моль H2SO4

Откуда:

Объем 0,2 М раствора серной кислоты (H2SO4) равен 28 миллилитров. Серная кислота нейтрализация

Ответ:

объем раствора серной кислоты 28 миллилитров.

2 вариант:

Решение задачи

Запишем уравнение реакции образования средней соли:

Рассчитаем массу раствора гидроксида калия (KOH) по формуле, устанавливающей связь между массой и объемом:

Получаем:

m (раствора KOH) = 43,2 ∙ 1,06 = 45,79 (г).

Массовая доля серной кислоты. Используя формулу нахождения массовой доли растворенного вещества:

выразим массу вещества:

Получаем:

m (вещества KOH) = 45,79 ∙ 0,074 = 3,39 (г).

Если раствор 7,4-процентный, то массовая доля гидроксида калия (KOH) в нем 0,074.

Массовая доля серной кислоты. Учитывая, что молярные массы гидроксида калия (KOH) и серной кислоты (H2SO4) соответственно равны 56 г/моль и 98 г/моль (смотри ), по уравнению реакции образования средней соли рассчитаем, сколько грамм серной кислоты (H2SO4) нужно для нейтрализации 3,39 г гидроксида калия (KOH):

на реакцию нейтрализации 112 г KOH нужно 98 г H2SO4

на реакцию нейтрализации 3,39 г KOH нужно х г H2SO4

Откуда:

Рассчитаем массу раствора серной кислоты (H2SO4) по формуле, устанавливающей связь между массой и объемом:

Получаем:

m (раствора H2SO4) = 40 ∙ 1,025 = 41 (г).

Массовая доля растворенного вещества в растворе - это отношение массы растворенного вещества к массе раствора. Выражается в долях единицы или в %.

Рассчитаем массовую долю серной кислоты в растворе:

Получаем, массовая доля серной кислоты равна:

w (H2SO4) = 2,97 / 41 = 0,072 или 7,2%

Ответ:

массовая доля серной кислоты равна 7,2 %.