Основные технологические понятия и закономерности, их развитие при изучении химии

Пестова Татьяна Михайловна

Учитель химии и биологии

МБОУ «СОШ № 2 им. А.И. Исаевой» г. Нефтеюганска

Основные технологические понятия и закономерности, их развитие при изучении химии

Изучать химические производства учащиеся начинают в курсе химии 9 класса, продолжая его в 10 и 11 классах. При этом они получают первоначальные представления о классификации производственных реакций, об общих закономерностях их оптимизации, овладевают широким кругом понятий, которые характеризуют химико – технологический процесс с различных сторон и способствует правильному пониманию научных основ современного химического производства. Важнейшими среди этих понятий являются следующие: сырье и принципы его выбора для получения заданного продукта, использование энергии в производстве, химическое равновесие и химическая кинетика, оптимальные условия управления химическими процессами, производительность аппаратов, типизация машинного оборудования.

Особая роль отводится первому понятию – сырье и принципы его выбора для получения заданного продукта, ибо проблема выбора сырья и организации экономного его использования является общей для всех химических производств. Важность ее решения обусловлена, с одной стороны, быстрым ростом производства химических продуктов и ограниченностью природных ресурсов на земном шаре – с другой. К началу изучения химических производств учащиеся располагают достаточно обширными знаниями о сырье. Это сведения о различных горных породах и минералах, рудах черных и цветных металлов (курс природоведения), о составе и размещении естественных ресурсов и об их социально – экономической ценности (курс физической географии), сведения о размерах, качественном составе, условиях залегания и себестоимости добычи минерального сырья в разных районах России (курс экономической географии).

Формированию у учащихся представлений о сырье для химических производств уделяется внимание уже в курсе химии 8 класса. Здесь рассматриваются сведения о простых и сложных веществах, чистом веществе и смесях, о способах разделения смесей; углубляются представления о сырье при изучении разнообразных химических веществ. Много вниманию уделено воздуху и воде как важнейшим видам химического сырья, и изучение этих тем тесно связано с проблемой охраны природы и бережного использования природных ресурсов. Учащимся небезынтересно узнать, что в данный период времени в России большое внимание уделяется рациональному использованию природных вод для нужд химической промышленности. На заводах производят очистку сточных вод, водяное охлаждение в промышленных агрегатах частично заменяют воздушным, организуют оборот воды, создают производства, действующие по замкнутому циклу без сброса сточных вод в открытые водоемы. Примером является Чимкентское производственное объединение «Фосфор», где все отбросы утилизируются и организован замкнутый цикл водоснабжения технологических процессов с многократным использованием воды.

При ознакомлении учащихся с составом природных сульфидов, с методами их обогащения и первичной обработки (9 класс) уместным является рассмотрение вопроса о возможности использования этих ископаемых в качестве сырья для производства не только многих цветных металлов, но и серной кислоты, получаемой из газов обжига. Постепенное формирование представления о комплексной переработки сырья позволяет рассмотреть и некоторые другие стороны этой проблемы. Например, желательно сообщить, что на химических заводах уделяется большое внимание внедрению таких технологических процессов, при которых полезно используются все входящие в состав сырья вещества. Подобная организация производства дает значительный экономический эффект и одновременно решает задачу утилизации всех промышленных отходов.

Все сказанное позволяет сделать вывод, что к началу изучения химических производств учащиеся располагают достаточно обширными знаниями о сырье. Эти знания являются опорными, и широкое их использование определяет характер методического подхода к решению проблемы выбора сырья в каждом конкретном случае. Так, например, формулируя эту проблему применительно к определенному производству, учитель может ограничиться постановкой вопросов, подлежащих рассмотрению:

Как следует подходить к оценки природных сырьевых ресурсов?

Какие виды сырья используются в настоящее время в данном производстве?

Какое сырье занимает ведущее место и как обеспечивается его комплексное использование?

Как изменяются запасы сырья и роль отдельных его видов в связи с разработкой новых способов производства?

Каковы причины потерь сырья и имеются ли возможности для их устранения?

Получив эти вопросы, учащиеся могут самостоятельно на основе справочной и дополнительной литературы отобрать необходимые сведения, проанализировать их в соответствии с поставленными вопросами, обобщить и сделать выводы. При таком подходе к решению важной технологической проблемы повышается действенность знаний учащихся.

Не менее важным является использование опорных знаний и при формировании понятия «химический продукт производства и требования к его качеству».

О том, что к химическому продукту предъявляются определенные требования, учащиеся впервые узнают на уроках ботаники, где им сообщаются доступные сведения о минеральных удобрениях.

В курсе химии 8 и 9х классов учащиеся знакомятся с большим разнообразием химических продуктов (водород, кислород, кислоты, основания, галогены и т.д.), изучают их свойства, а затем определяют область их использования. По мере ознакомления с этими веществами они убеждаются в том, что химические продукты можно классифицировать по химическим свойствам, по областям применения, по сырьевой базе, что каждый химический продукт должен обладать определенными качествами, в том или ином веществе необходимо знать, где и в каком виде оно встречается в природе и какими способами его можно получить из природных смесей или химических соединений.

Постепенное накопление этих знаний позволяет знакомить учащихся со структурой и содержанием Государственных стандартов на химические продукты, которые составляют с учетом требований потребителей и возможностей промышленности. Знакомясь с Государственными стандартами при изучении конкретных химических производств, учащиеся убеждаются в том, что повышение качества продукции является в настоящее время одной из важнейших задач химической технологии.

В связи с одним из основных законов химии, изучаемых в 8 классе, - законов сохранения массы вещества при химических реакциях – формируется важнейшее понятие «выход продукта». Закрепляется это понятие в 9 классе при изучении темы «Практическое применение химических расчетов», где учащиеся узнают о том, что по выходу продукта оцениваются потери производства и что необходимым условием достижения высоких показателей производства является бережное отношение к сырью.

Формирование понятий об использовании энергии в производстве, об использовании энергии в производстве, об использовании теплоты химических реакций, о процессах нагревания и охлаждения, о теплообмене связано с изучением закона сохранения энергии. Впервые понятие об обмене энергии вводится в курсе физики 7 класса, затем оно получает дальнейшее развитие в 8 классе в разделе «Тепловые явления».

Здесь на основе знаний о молекулах рассматриваются два способа изменения внутренней энергии тела: работа и теплопередача. Приводятся примеры различных видов топлива (уголь, торф, сланцы, дрова, природный газ) и указывается, что использование топлива основано на явлении выделения энергии при соединении атомов углерода, содержащихся в топливе, с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. Пожалуй, это один из первых примеров, который в дальнейшем можно использовать для иллюстрации практического значения химических реакций, находящих применение в энергетических устройствах (печи, двигатели внутреннего сгорания, ТЭС и пр.), - не ради получения новых ценных веществ или уничтожения вредных, а для утилизации, выделяющейся при протекании энергии. В курсе химии 9 класса при изучении темы «Тепловой эффект химической реакции» рассматриваются вопросы о разумном использовании выделяющейся при химической реакции энергии для производства данного продукта на химическом заводе. Учащимся сообщаются сведения о том, что в современных цехах по производству серной кислоты, аммиака, азотной кислоты и азотных удобрений резко снижены потери перерабатываемых материалов и соответственно уменьшено загрязнение среды, а теплота, необходимая для нагревания, испарения, сжатия, перемещения вещества, получается за счет основных химических реакций и что снижение удельного расхода энергии в химическом производстве является важной технологической проблемой.

Ведущей идеей современного химического производств является идея оптимизации управления химическими реакциями на производстве.

В курсе химии средней школы изучение закономерностей управления химико – технологическими процессами связано с формированием понятий о химическом равновесии и химической кинетике. Первоначальные представления о скоростях химической реакции и об обратимости химических реакций учащиеся получают уже вначале изучения химии (8 класс). В конце 9 класса изучается закон действия масс, устанавливающий связь между скоростью реакции и концентрациями реагирующих веществ. На примере экспериментального изучения образования и разложения оксида серы (VI) дается определение обратимых химических реакций и на основе кинетических представлений – определение химического равновесия, указываются условия его смещения. Развитие этого понятия продолжается в 10 классе на примере изучения производства синтетического аммиака и других неорганических веществ и в 11 классе – на многочисленных примерах из органической химии. Здесь учащиеся используют количественные данные о равновесии для вычисления равновесных выходов продуктов некоторых производственных реакций в зависимости от условий их проведения – концентраций реагирующих веществ, давления и температуры. Так, например, анализируя количественные данные о химическом равновесии реакции синтеза аммиака, они приходят к выводу о целесообразности многократной циркуляции азотно-водородной смеси через колонну синтеза аммиака.

Таким образом, учение о химической кинетике подводит учащихся к пониманию путей повышения скорости химических реакций, а учение о химическом равновесии позволяет определить, в каком направлении необходимо изменять условия протекания химической реакции для повышения равновесного выхода продуктов. Применяя 8-10х классах законы химического равновесия и химической кинетики к решению производственных задач, ученики начинают глубже понимать практическое значение этих закономерностей и необходимость рассмотрения их во взаимосвязи. При этом они узнают о таких широко распространенных способах управления химическими реакциями в производстве, как изменение по ходу процесса условий протекания реакций, противоток газа и жидкости, циркуляция реагирующих веществ в замкнутом цикле и т.д.

При ознакомлении с производственными процессами учащиеся изучают также общие закономерности протекания каталитических реакций. Главное внимание уделяется следующим закономерностям : зависимости скорости и направления каталитических реакций от состава катализаторов, предварительной очистке реагирующих веществ от ядовитых примесей и чувствительности катализатора к температурным условиям.

При изучении химических производств учащиеся знакомятся и с конструкциями химических аппаратов и технологическими схемами процессов. На примере процесса обжига колчедана они получают первоначальное представления о конструировании печей. Эти представления углубляются при ознакомлении с доменной, сталеплавильной, трубчатой и другими печами.

На ряде примеров рассматривают основные черты, характеризующие конструкции контактных аппаратов, знакомятся с широко распространенными в промышленности абсорбционными устройствами, обсуждают такие общие проблемы, как выбор конструкционных материалов, мощность аппаратов и т. д.

Таким образом, курс химии уделяет достаточное внимание формированию важнейших технологических понятий, способствующих правильному пониманию научных основ современного химического производства.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/41555-osnovnye-tehnologicheskie-ponjatija-i-zakonom