Урок-ролевая игра по химии на тему «Производство серной кислоты контактным способом» (11 класс)

Урок-ролевая игра по химии на тему

"Производство серной кислоты контактным способом"

(11 класс)

Головахина Марина Анатольевна,

учитель химии

МАОУ СОШ № 20

п.Псебай Мостовского района Краснодарского края

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.

Задачи:

- Раскрыть перспективы развития производства серной кислоты

- Подчеркнуть роль науки в совершенствовании химической промышленности, загрязнение атмосферы выбросами химических предприятий по производству серной кислоты.

- Комплексное применение знаний не только по химии, но и по другим предметам.

- Организовать учащихся на самостоятельную поисковую деятельность и продуктивную работу с различными источниками учебной информации.

- Профессиональная ориентация учащихся.

Оборудование урока:

Компьютер с установленной программой MicrosoftPowerPoint, интерактивная доска (или мультимедиа)

Выставка изделий, веществ, полученных на основе серной кислоты, таблицы изготовленные учащимися, физическая карта России.

Ход урока

1. Подготовительный этап

На предыдущем уроке проводится лекция «Производство серной кислоты контактным способом», на которой учащихся получают теоретические знания, необходимые для участия в игре, и ролевые инструкции. Роль учителя носит инструктивный и разъясняющий характер.

Ролевые инструкции

Изыскатели – проектировщики

Обосновывают место строительства завода (знать экономическую географию и основные требования, предъявляемые к химическим производствам и крупным стройкам), размещение производства серной кислоты, составляет карту-схему его экономических связей.

При выполнении задания должны быть соблюдены следующие условия. Пункт строительства завода должен быть:

1) связан железной дорогой с транспортной сетью страны (почему?)

2) расположен вблизи реки (почему?)

3) обеспечен электроэнергией

4) соответствовать экологическим нормам

Технологи

Реализуют общие научные принципы организации химического производства; выбирают оптимальный технологический режим на основании физико-химической характеристики реакции, особенностей ее кинетики (учение о скорости химической реакции) и равновесия; обосновывает технологическую схему производства.

Технологи должны знать закономерности химических реакций и принципы составления технологических схем, уметь обосновывать оптимальные условия осуществления химических реакций в производственных условиях; производить расчеты выхода продукта по стехиометрическим схемам.

Задание.

1. Выделить все цеха по производству H₂ SO₄

2. Знать назначение и режим работы всех аппаратов.

3. Выделить научные принципы вашего производства.

4. Задача: Сколько тонн H₂ SO₄ можно получить из 2,4 т. пирита.

Заводская лаборатория

Лаборанты проводит многочисленные химические анализы , постоянно информируют аппаратчиков о качестве и составе сырья, полупродуктов и готовых материалов.

Задание.

1. Охарактеризуйте физические свойства основных веществ сернокислого производства.

2. Качественные реакции на H₂ SO₄

Конструкторы

Проектируют основные аппараты и подбирают для них конструкционные материалы.

Должны знать требования к реализации оптимального режима на производстве, принципы конструирования основных аппаратов, свойства конструкционных материалов.

Задание. Обосновать конструкции аппаратов технологической схемы.

Группа охраны труда и техники безопасности

Обеспечивает безопасные условия труда на производстве; изучает возможные причины аварийных ситуаций и условия их устранения; разрабатывает мероприятия по их предотвращению; составляет инструкции по технике безопасности для работников предприятия; осуществляет контроль над соблюдением правил безопасности.

Задание. Изучить физиологическое действие серной кислоты, оксида серы (IV) и оксида серы (VI) на организм человека и меры оказания первой помощи при отравлении; выявите возможные причины аварий и составьте инструкции по их предотвращению; составьте инструкцию по технике безопасности для работников предприятия.

Группа по охране окружающей среды

Отвечает за соблюдение конституционных требований по охране окружающей среды, разрабатывает мероприятия по обеспечению экологического равновесия в регионе, совместно с технологами и проектировщиками участвует в разработке предложений по безотходной технологии.

Задание. Изучите возможные причины загрязнения окружающей среды вблизи сернокислого производства и проанализируйте его влияние на природные объекты – атмосферу, водные источники, почву, растения, животных и человека.

Отдел реализации и сбыта готовой продукции

Проводит рекламу продуктов производства, организует мероприятия по реализации и сбыту продукции.

Задание.

1. Охарактеризуйте продукты вашего производства. Реклама продукции

2. Перечислите смежные организации, с которыми Вы работаете.

3. Основные потребители Вашей продукции (области применения серной кислоты).

2. Проведение игры.

Бюджет времени четко рассчитан (не больше 5 минут), чтобы могла выступить каждая группа и обсудить выступления своих товарищей. Свое выступление учащиеся сопровождают показом слайдов, опытами, рисунками и д.т.

На урок приглашается оценочное жюри (учителя школы), которое дает оценку выступлений учащихся по следующим критериям:

Оценка выступления

1. Научное содержание – до 3 баллов

2. Понимание содержания докладчиком и доступность изложения – до 3 б

3. Наглядность выступления – до 5 б

4. Ораторские способности и внешние манеры докладчика – до 3 б

5. Ответы на вопросы и способность активизировать слушателей – до 2 б

6. Регламент – 2б.

Вступительное слово учителя.

«Серная кислота относится к продуктам основного химического производства. Нет кислоты, которая была бы нужнее и применялась бы чаще, чем серная кислота, за что она получила название «хлеб химической промышленности». На прошлом уроке вы получили задание. Сегодня каждый из вас, используя знания по производству серной кислоты контактным способом, выступит в качестве специалиста одной из профессий данного производства. Девиз урока: «Процесс современного производства обеспечивается

слаженной работой людей различных специальностей.»

3. Подведение итогов

Учитель: «При изучении сернокислого производства вы познакомились с профессиями инженера-технолога, аппаратчика, лаборанта-аналитика и другими профессиями. Мы увидели, что производство серной кислоты – сложный процесс, требующий слаженной работы всех специалистов».

Далее подводится итог работы, дается оценка работы каждой группы. Обсуждение результатов должно проходить при участии самих учащихся.

4. Домашнее задание:

Кроссворд по теме "Серная кислота".

Дополнительный материал к уроку.

Почему в районе предприятия по производству серной кислоты уменьшается популяция птиц? (Кислота разрушает скорлупу яиц, и птенцы не могут дальше развиваться). Демонстрационный эксперимент действие серной кислоты на измельченную скорлупу яиц. Напишите уравнение реакции.

Литература

1. Коробейникова Л.А., Ширикова О.И. Ролевые игры на уроках

химии. /Химия в школе. № 3, 1991. – с.31-36

2. Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия: учебник для 9 кл.

сред.общеобразоват.учеб.заведений. – 3-е изд. С испр. М.: Просвещение, 1994. с.37-42

3. Химия: Справ. Материалы: Кн.для учащихся/ Ю.Д.Третьякова, Н.Н.Олейников, Я.А.Кеслер, И.В.Казимирчик. Под ред.Ю.Д.Третьякова. – М.: Просвещение, 1988. - с.183

4. Эпштейн Д.А.. Учителю об основах химической технологии.

Пособие для учителей. М.: Просвещение, 1975. - с. 104 – 112

5. http://www.edu.yar.ru

РАЗДАТОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ для учащихся

Изыскатели – проектировщики

Обосновывают место строительства завода (знать экономическую географию и основные требования, предъявляемые к химическим производствам и крупным стройкам), размещение производства серной кислоты, составляет карту-схему его экономических связей.

При выполнении задания должны быть соблюдены следующие условия. Пункт строительства завода должен быть:

1) связан железной дорогой с транспортной сетью страны (почему?)

2) расположен вблизи реки (почему?)

3) обеспечен электроэнергией

4) соответствовать экологическим нормам

Оценка выступления

1. Научное содержание – до 3 баллов

2. Понимание содержания докладчиком и доступность изложения – до 3 б

3. Наглядность выступления – до 5 б

4. Ораторские способности и внешние манеры докладчика – до 3 б

5. Ответы на вопросы и способность активизировать слушателей – до 2 б

6. Регламент – 2б.

Технологи

Реализуют общие научные принципы организации химического производства; выбирают оптимальный технологический режим на основании физико-химической характеристики реакции, особенностей ее кинетики (учение о скорости химической реакции) и равновесия; обосновывает технологическую схему производства.

Технологи должны знать закономерности химических реакций и принципы составления технологических схем, уметь обосновывать оптимальные условия осуществления химических реакций в производственных условиях; производить расчеты выхода продукта по стехиометрическим схемам.

Задание.

1. Выделить все цеха по производству H₂ SO₄

2. Знать назначение и режим работы всех аппаратов.

3. Выделить научные принципы вашего производства.

4. Задача: Сколько тонн H₂ SO₄ можно получить из 2,4 т. пирита.

Оценка выступления

1. Научное содержание – до 3 баллов

2. Понимание содержания докладчиком и доступность изложения – до 3 б

3. Наглядность выступления – до 5 б

4. Ораторские способности и внешние манеры докладчика – до 3 б

5. Ответы на вопросы и способность активизировать слушателей – до 2 б

6. Регламент – 2б.

Заводская лаборатория

Лаборанты проводит многочисленные химические анализы , постоянно информируют аппаратчиков о качестве и составе сырья, полупродуктов и готовых материалов.

Задание.

1. Охарактеризуйте физические свойства основных веществ сернокислого производства.

2. Качественные реакции на H₂ SO₄

Оценка выступления

1. Научное содержание – до 3 баллов

2. Понимание содержания докладчиком и доступность изложения – до 3 б

3. Наглядность выступления – до 5 б

4. Ораторские способности и внешние манеры докладчика – до 3 б

5. Ответы на вопросы и способность активизировать слушателей – до 2 б

6. Регламент – 2б.

Конструкторы

Проектируют основные аппараты и подбирают для них конструкционные материалы.

Должны знать требования к реализации оптимального режима на производстве, принципы конструирования основных аппаратов, свойства конструкционных материалов.

Задание. Обосновать конструкции аппаратов технологической схемы.

Оценка выступления

1. Научное содержание – до 3 баллов

2. Понимание содержания докладчиком и доступность изложения – до 3 б

3. Наглядность выступления – до 5 б

4. Ораторские способности и внешние манеры докладчика – до 3 б

5. Ответы на вопросы и способность активизировать слушателей – до 2 б

6. Регламент – 2б.

Группа охраны труда и техники безопасности

Обеспечивает безопасные условия труда на производстве; изучает возможные причины аварийных ситуаций и условия их устранения; разрабатывает мероприятия по их предотвращению; составляет инструкции по технике безопасности для работников предприятия; осуществляет контроль над соблюдением правил безопасности.

Задание. Изучить физиологическое действие серной кислоты, оксида серы (IV) и оксида серы (VI) на организм человека и меры оказания первой помощи при отравлении; выявите возможные причины аварий и составьте инструкции по их предотвращению; составьте инструкцию по технике безопасности для работников предприятия.

Оценка выступления

1. Научное содержание – до 3 баллов

2. Понимание содержания докладчиком и доступность изложения – до 3 б

3. Наглядность выступления – до 5 б

4. Ораторские способности и внешние манеры докладчика – до 3 б

5. Ответы на вопросы и способность активизировать слушателей – до 2 б

6. Регламент – 2б.

Группа по охране окружающей среды

Отвечает за соблюдение конституционных требований по охране окружающей среды, разрабатывает мероприятия по обеспечению экологического равновесия в регионе, совместно с технологами и проектировщиками участвует в разработке предложений по безотходной технологии.

Задание. Изучите возможные причины загрязнения окружающей среды вблизи сернокислого производства и проанализируйте его влияние на природные объекты – атмосферу, водные источники, почву, растения, животных и человека.

Оценка выступления

1. Научное содержание – до 3 баллов

2. Понимание содержания докладчиком и доступность изложения – до 3 б

3. Наглядность выступления – до 5 б

4. Ораторские способности и внешние манеры докладчика – до 3 б

5. Ответы на вопросы и способность активизировать слушателей – до 2 б

6. Регламент – 2б.

Отдел реализации и сбыта готовой продукции

Проводит рекламу продуктов производства, организует мероприятия по реализации и сбыту продукции.

Задание.

1. Охарактеризуйте продукты вашего производства. Реклама продукции

2. Перечислите смежные организации, с которыми Вы работаете.

3. Основные потребители Вашей продукции (области применения серной кислоты).

Оценка выступления

1. Научное содержание – до 3 баллов

2. Понимание содержания докладчиком и доступность изложения – до 3 б

3. Наглядность выступления – до 5 б

4. Ораторские способности и внешние манеры докладчика – до 3 б

5. Ответы на вопросы и способность активизировать слушателей – до 2 б

6. Регламент – 2б.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ для учащихся

Сырье.Серную кислоту можно получить из серы и ее соединений: Железный колчедан или пирит, FeS₂, Сера, Сульфиды цветных металлов Cu₂ S, Zn S, PbS, Гипс CaSO4 - 2H₂ O, сероводород Н₂ S.

Сернокислотныезаводы расположены в различных райо­нах России. На каждом заводе используют тот или иной вид сырья, который добывают поблизости. В по­следние годы в развитии сернокислотного производства

все больше намечается тенденция к комплексному исполь­зованию природного сырья. Например, используют оксид серы (IV), образующийся при обжиге сульфидов цветных металлов и сероводорода, который выделяется при коксо­вании каменного угля или при переработке некоторых при­родных газов. Так соблюдается принцип комбинирования различных химических производств.

Получение оксида серы (IV).На многих сернокислотных заводах оксид серы (IV) получают путем обжига серного колчедана (пирита).

Экспериментальным путем установлены закономерностиизменения скорости реакции обжига пирита.

Зависимость скорости реакции от условий обжигапирита

При пропускании вместо воздуха чистого кислорода увеличивается концентрация одного из реагирующих ве­ществ; следовательно, увеличивается скорость реакции.

При дроблении пирита увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих веществ, что вызывает уве­личение скорости реакции. Но при образовании слишком мелких частиц происходит слеживание, образуется плотный слой, через который кислород почти не проходит. Поверх­ность соприкосновения реагирующих веществ уменьшается. Это приводит к снижению скорости реакции.

При повышении температуры обжига до 800 °С воз­растает доля молекул с достаточной кинетической энергией и скорость реакции увеличивается. При более высокой тем­пературе происходит спекание частиц и скорость реакции падает.

Так как реакция обжига пирита является экзотерми­ческой, то температура поднимается выше оптимальной, т. е. выше 800 °С. Следовательно, избыточную теплоту нужно отводить и использовать для других целей, например для получения водяного пара.

Учеными был решен вопрос о степени измельчения пи­рита.Известно, что для повышения скорости обжига пиритследует дробить по возможности мельче. Однако спекание мелких частиц препятствует доступу кислорода. Ученые пришли к выводу, что, применяя принцип противотока, т. е. подавая в печь тонко измельченный пирит сверху и продувая воздух снизу, можно отрегулировать подачу воздуха, чтобы частицы пирита разрыхлялись и оставались в подвижном состоянии. Такой слой мелких частиц назвали кипящим,так как он напоминает кипящую жидкость, через которую прорываются пары. Частицы пирита могут быть очень мелкими: в кипящем слое они не слеживаются и хорошо смешиваются с воздухом. Поэтому процесс обжига происходит очень быстро. Если раньше для обжига пирита требовалось 5—6 ч, то при обжиге в кипящем слое требуется лишь несколько секунд. Работа таких печей полностью механизирована: в печь непрерывно ленточным транспортером подается измельченный пирит, а компрессорами вдувается воздух. Образующийся оксид серы (IV) автоматически от­водится для дальнейшей переработки. Заданный технологи­ческий режим (температура, подача воздуха и измельчен­ного пирита) регулируется автоматически.

Очистка оксида серы (IV).Необходима тщательная очистка оксида серы (IV), так как примеси отравляют катализатор, т. е. теряются его каталитические свойства. Чтобы удалить из газовой смеси пыль, ее пропускают через аппарат, называемый циклоном. Он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Смесь газов поступает в наружный цилиндр и движется по спирали сверху вниз. Под действием движения газов в циклоне частицы пыли отбрасываются к стенке наружного цилиндра, падают вниз и удаляются.

Наиболее мелкие пылинки остаются в газе. Для их уда­ления смесь направляют в электрофильтры. Эти аппараты состоят из металлических сеток, между которыми протянута тонкая проволока. К ней подводят постоянныйэлектрический ток высокого напряжения (60000 В). Про­волока заряжается отрицательно, а сетка — положительно. Смесь газов поступает вкамеру снизу. В результате действия сильного электрического поля пылинки приобре­тают отрицательный заряд, притягиваются к сетке, где теря­ют свой заряд, и падают в специальный бункер.

От водяных паров газовую смесь очищают всушильнойбашне. В эту башню газовая смесь поступаетснизу, а сверху противотоком стекает концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосно­вения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.

Окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI).Послетщательной очистки оксид серы (IV) и воздух поступают в контактный аппарат , где под влиянием катализа­тора (V₂O₅,) происходит окисление:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ + Q

Газовую смесь для начала реакции нужно предваритель­но нагреть, так как в процессе очистки она охлаждается. Поэтому перед контактным аппаратом устанавливаюттеплообменник.Горячую газовую смесь, выходящую из контактного аппарата, пропускают потрубам теплообмен­ника, а между ними в противоположном направлении про­пускают подогреваемую газовую смесь. В результате проис­ходиттеплообмен,т. е. продукты реакции отдают свою тепло­ту газовой смеси, поступающей в контактный аппарат. Одновременно достигаются две цели: исходные веществанагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур. В контактном аппарате находятся полки, на которых помещен слоями катализатор — оксид ванадия (V)V₂O₅. Благодаря катализатору окисление оксидасеры (IV) происходит при более низкой температуре и рав­новесие химической реакции смещается вправо.

Получение серной кислоты гидратацией оксида серы (VI).Охлажденный в теплообменнике оксид серы (VI) направ­ляют в поглотительную башню. Казалось бы, что оксид серы (VI) следует поглощать водой. Однако вместоводы применяют серную кислоту с массовой долей 98%.

Почему же для поглощения оксида серы (VI) нельзя использовать воду? Оказывается, оксид серы (VI) до соприкосновения с водой реагирует с ее парами, и обра­зуются мелкие капельки серной кислоты — сернокислотный туман, который водой не поглощается. Над концентрирован­ной серной кислотой водяной пар практически отсутствует. Оксид серы (VI) поглощается концентрированной сернойкислотой, реагируя с содержащейся в ней водой:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ + Q

Получается безводная серная кислота, при растворениив которой оксида серы (VI) образуется олеум.

Процесс производства серной кислоты непрерывный:обжиг пирита в печи, поступление оксида серы (IV) и воз­духа в очистительную систему, а затем в контактный аппарат, подача оксида серы (VI) в поглотительную башню.

Общие принципы сернокислотного производства.Произ­водство серной кислоты относится к производствам основ­ной химической промышленности, создающей необходимые предпосылки для развития всех других химических про­изводств. Основные научные принципы (механизация и ав­томатизация производственных процессов, создание опти­мальных условий для протекания химических реакций, использование теплоты химических реакций и др.), с ко­торыми вы познакомились при изучении производства сер­ной кислоты, являются общими и применяются почти на всех других химических производствах. Некоторые из этих производств вы будете изучать в дальнейшем курсе химии.

Основные профессии работников сернокислотного произ­водства.При изучении сернокислотного производства вы познакомитесь с профессиями инженера-технолога, аппарат­чика, лаборанта-аналитика и рабочими профессиями разной квалификации. К наиболее распространенным химическимпрофессиям относится профессия аппаратчика, в обязан­ности которого входит подготовка, расчет и планирование технологического процесса, ведение основных и вспомога­тельных операций, организация рабочего места и обслужи­вание оборудования. Аппаратчик должен знать технологи­ческую схему производства, устройство, принципы и правила эксплуатации оборудования, свойства сырья, полу фабрикатов и готовой продукции, технологический режимосуществления стадий производства.

Охрана труда. На сернокислотных заводах требуется строго соблюдать правила техники безопасности труда.

1. Чтобы, не допустить отравление газами, каждый работающий должен иметь противогаз. В заводских помещениях систематически требуется контролировать содержание газов в воздухе. Если в воздухе производствен­ных помещений содержится 0,06мг/л оксида серы (IV)SO₂,уже возможно отравление. Содержание сероводорода H₂Sв воздухе цехов не должно
превышать10мг/м³.

Если произошло отравление газами, пострадавшего следует вынести на свежий воздух или использовать воздух, обогащенный кислородом, и дать для приема внутрь разбавленный раствор питьевой соды NaHСО₃ .

2. В помещениях особенно опасен сернокислотный туман, который образуется при взаимодействии оксида серы (VI) с парами воды: нельзядопускать превышение содержания сернокислотного тумана более 1мг/м³. В помещениях, где работают с серной кислотой и в которых может обра­зоваться сернокислотный туман, работающие должны быть в спецодежде,
в резиновых сапогах и в резиновых перчатках. Следует употреблять защитные очки.

Если все же серная кислота попадет на тело, тогда ее немедленно надо смыть большим объемом воды. Затем пораженную часть тела надо смочить 5%-ным раствором соды и смазать вазелином.

Охрана окружающей среды. Охране окружающей среды в нашей стране уделяется большое внимание. На сернокис­лотных заводах предотвратить загрязнение окружающей среды удается путем герметизации аппаратуры, применением газоочистительных установок.

Сырье.Серную кислоту можно получить из серы и ее соединений: Железный колчедан или пирит, FeS₂, Сера, Сульфиды цветных металлов Cu₂ S, Zn S, PbS, Гипс CaSO4 - 2H₂ O, сероводород Н₂ S.

Сернокислотныезаводы расположены в различных райо­нах России. На каждом заводе используют тот или иной вид сырья, который добывают поблизости. В по­следние годы в развитии сернокислотного производства все больше намечается тенденция к комплексному исполь­зованию природного сырья. Например, используют оксид серы (IV), образующийся при обжиге сульфидов цветных металлов и сероводорода, который выделяется при коксо­вании каменного угля или при переработке некоторых при­родных газов. Так соблюдается принцип комбинирования различных химических производств.

Печи для обжига обладают большой мощностью. Строят печи, в которых обжигают 400 т колчедана в сутки и больше. Оснащены автоматическим управлением. Температура замеряется в «кипящем « слое. В зависимости от нее регулятор воздействует на привод питательной шнека, изменяя количество загружаемого колчедана. Так же регулируется количество воды, проходящей через охладительные элементы. Выгрузка и транспорт огарка механизированы.

В электрофильтре проволока (диаметр 2 мм) соединена с источником тока высокого напряжения и изолирована от земли.

Температура газа на входе в электрофильтр не должна превышать 475 ⁰ С во избежание деформации металлических изделий. Температура на выходе из фильтра – не ниже 275 ⁰ С, так как при более низкой температуре конденсируется серная кислота. Что приводит к коррозии металлических изделий и оседанию влажной пыли на электродах.

Ванадиевый катализатор дешевый и достаточно активный и стойкий (ранее использовался платиновый). Его жизнь 2-3 года, а при хороших условиях эксплуатации до 15 лет. Реакция на нем проходит за несколько секунд.

Поглотительные колонны делают из стали, внутри футеруют кислотоупорным кирпичом. Углеродистые стали противостоят действию олеума и раствору серной кислоты (75 %) вследствие образования на их поверхности защитной пленки.

Для улавливания вредного сернистого газа устанавливают дополнительные аппараты, например, башни, орошаемые раствором соды (карбоната натрия).

В огарке 1 % серы, меди и золота 0, 75 % (на 1 т – 0,6 г этих веществ).

Реакцию окисления SO₂ на катализаторах не доводят до конца. Так как увеличивается расход сырья и приводит к отравлению окружающей среды SO₂ . Поэтому превращение SO₂ вSO₃ составляет 98 %.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/358524-urok-rolevaja-igra-po-himii-na-temu-proizvods