Урок-семинар по теме «Производство серной кислоты»

Урок – семинар по теме «Производство серной кислоты».

Впервые в начале 9 класса учащиеся встречаются с изучением химического производства. 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 темы «Производство серной кислоты» сформировать у учащихся представление об общих понятиях химической технологии, ознакомить учащихся с общими научными принципами производства, развивать у учащихся умения работать в коллективе единомышленников при решении учебных задач, развивать у учащихся навыки решения теоретических и практических задач по химии с политехническим содержанием.

Для лучшего усвоения материала всех учащихся класса нужно распределить по группам (технологи, экологи, краеведы, историки) и перед учащимися каждой группы необходимо выдвинуть последовательно ряд проблем:

Что может служить сырьём для получения серной кислоты на химических заводах?

Нет ли таких отходов промышленных производств, которые содержат серу, и можно ли их использовать в качестве сырья?

Какие химические вещества являются отходами сернокислотного производства? Каким образом их можно использовать?

Каковы конструктивные особенности аппаратов, используемых при производстве серной кислоты?

Какие санитарно-гигиенические условия создаются в окрестностях металлургического завода или завода по производству серной кислоты?

Какие предприятия нашего региона занимаются производством серной кислоты, и каким образом решаются выше перечисленные проблемы на этих предприятиях?

На столах каждой группы учащихся находятся: рисунки с изображением аппаратов и процессов, происходящих при производстве серной кислоты, задания для проверки материала, изученного на уроке, реактивы, необходимые для проведения эксперимента (раствор лакмуса, 0,5%-ный раствор серной кислоты, 2 стакана на 100 мл, 2 стеклянные палочки, яичная скорлупа, порошок цемента, ступка и пестик). Урок проводится в три этапа: теоретический, экспериментальный, решение предложенных заданий.

1-ый эколог.В природе серная кислота не встречается, поэтому её месторождений на Земле не обнаружено. Серная кислота может образоваться в атмосфере за счёт окисления поступающего в неё сернистого газа SO₃, 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 серная кислота возвращается на Землю в виде кислотных дождей.

1-ый историк.Первое упоминание о серной кислоте встречается в трудах арабского алхимика Гебера (его настоящее имя Джебер или Джафар), жившего в IX – XI веках. В своих сочинениях он писал о том, что при сильном нагревании квасцов перегоняется «спирт», обладающий сильной растворяющей силой. Этот спирт, о котором писал алхимик и был серной кислотой. Этот факт остался в истории химии просто установлением нового, ранее неизвестного вещества. Специально в то время серную кислоту ещё не получали.

2-ой историк.Получать серную кислоту стали в средние века. Способ получения серной кислоты, применявшийся алхимиками и существовавший до XVIII века, основывался на разложении сульфатов при нагревании, например, разложением железного купороса (отсюда её название – купоросный спирт). Также серную кислоту получали нагреванием квасцов и нагреванием серы с селитрой. Так возник старейший технический способ получения серной кислоты – камерный, который в дальнейшем стал называться нитрозным. Впервые в промышленности он был осуществлён в Англии (1740 г.) и состоял в сжигании серы и селитры в ковше, подвешенном в стеклянном баллоне ёмкостью 300 л, в котором находилось большое количество воды. При этом выделялись газы, содержавшие значительные количества сернистого ангидрида ( SO₂) и оксидов азота, которые, реагируя с водой и кислородом воздуха, образовывали серную кислоту.

1-ый технолог.Следующим шагом был переход от стеклянных баллонов к кубообразным камерам. В свинцовые камеры вводили смесь селитры и серы, все отверстия в камере закрывали и поджигали смесь. Образующаяся серная кислота растворялась в воде, покрывавшей дно камер. По окончании процесса камеры вентилировали. После нескольких подобных операций получалась серная кислота соответствующей концентрации. Таким образом, производство серной кислоты велось периодически.

2-ой технолог.В конце XVIII века над усовершенствованием камерного процесса плодотворно работали французы, профессор прикладной химии Н. Клеман и фабрикант Ш. Дезорм, которые доказали возможность непрерывного проведения процесса производства серной кислоты. Ими была предложена следующая схема:

SO₂+ NO₂ → SO₃ + NO

NO + ½ O₂ → NO₂

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

3-ий технолог.Однако окончательно механизм реакции получения серной кислоты камерным, или нитрозным, методом был выяснен позднее. В первых установках оксиды азота выбрасывались в воздух. Но в 1827 г. Жозеф Луи Гей-Люссак предложил поставить вслед за камерами башню для улавливания оксидов азота, орошаемую серной кислотой и заполненную коксом. С 1859 г. по предложению английского химика Д. Гловера перед камерами стали устанавливать башню, в которой кислота, приходящая из поглотительной башни, освобождалась от оксидов азота. Этим фактически было закончено создание классической камерной системы. Первая башенная система появилась в Германии в 1907 г. Получаемая при нитрозном методе серная кислота не особенно чистая и не концентрированная, поэтому область её применения ограничена. В таких производствах, как получение взрывчатых веществ, или в органическом синтезе, нужна более концентрированная и чистая кислота. Для таких целей используется серная кислота, получаемая другим методом – контактным.

4-ый технолог.Контактный способ производства серной кислоты – многостадийный процесс. В большинстве случаев сырьём для производства серной кислоты контактным методом является серный колчедан FeS₂, сульфиды цветных металлов. Серный колчедан широко распространён в природе, среднее содержание серы в руде колеблется от 40 до 50 %, кроме того руда содержит примеси соединений кобальта, никеля, мышьяка, селена, меди, кремнезём, карбонаты кальция и натрия, оксид алюминия, серебро, золото.

2-ой эколог.Особенно большой интерес в качестве сырья для производства серной кислоты представляют полиметаллические сульфидные руды. Во-первых, при обогащении некоторых руд, например медных, посредством флотации получают наряду с концентратом (руда с высоким содержанием сульфида меди) отход, содержащий преимущественно дисульфид железа FeS и пустую породу. Во-вторых, при обжиге этих руд (первая стадия производства цветных металлов) образуется газ с высоким содержанием оксида серы (IV), т. е. при этом решаются вопросы комплексного использования сырья и проблема резкого уменьшения загрязнения атмосферы сернистым газом.

3-ий эколог. Для производства серной кислоты можно использовать соединения серы, входящие в состав горючих ископаемых, сжигаемых на теплоэлектростанциях, в промышленных топках. При этом в воздух выбрасываются огромные количества сернистого газа, так как извлечь его из топочных газов вследствие низкой концентрации трудно. Это одна из актуальнейших проблем, над которыми сегодня работают многие исследователи. Более благоприятные условия складываются при химической переработке топлива. При коксовании каменных углей большая часть серы переходит в коксовый газ преимущественно в виде сероводорода. Технология производства серной кислоты из сероводорода, не содержащего ядовитых для катализатора примесей, значительно проще, чем из сульфидных руд. Самой дешёвой в настоящее время является кислота, получаемая из сероводорода.

Из природных сульфатов для производства серной кислоты имеют значение гипс и ангидрит, а также отход производства фосфорной кислоты – фосфогипс. Для получения сернистого газа при использовании этого вида сырья природные сульфаты нужно прокалить в смеси с углём, глиной и песком.

5-ый технолог. Основные стадии производства серной кислоты контактным способом.

Получение сернистого газа путём обжига серного колчедана, из серы или сероводорода.

При производстве серной кислоты из серного колчедана учитываются оптимальные условия его обжига: применение флотационного колчедана (содержащий в среднем 45 % серы в пересчёте на сухое вещество); проведение реакции при оптимальной температуре (800⁰ С), полезное использование теплоты реакции; интенсификация процесса благодаря применению кислорода (промышленные опыты показали, что при повышении содержания кислорода в газе до 60 % настолько увеличивает количество водяного пара, получаемого за счёт теплоты реакции, что он может полностью удовлетворить потребность в энергии всего сернокислотного цеха); повышение производительности реакционного аппарата (реактора), установка для обжига колчедана должна быть сконструирована таким образом, чтобы процесс протекал при условиях, возможно более близких к оптимальным. В современном производстве для обжига колчедана используют печь для обжига в кипящем слое.

Если исходным сырьём для производства серной кислоты является сера, то при её горении происходит реакция:

S + O₂ → SO₂ + 362,4 кДж (86,5 ккал)

Сера поступает на заводы обычно в твёрдом состоянии. Её дробят, плавят. Фильтруют для очистки от примесей и в жидком виде подают форсунками в печь (рисунок 4), где она испаряется и сгорает. Получается газ с высоким содержанием оксида серы (IV) – до 16 %.

При производстве серной кислоты из сероводорода происходит реакция

2 H₂S +3 O₂ → 2 SO₂ + 2 H₂O + 1038,7 кДж (247,9 ккал)

Этот способ появился с открытием месторождений природного газа, содержащего сероводород. Сероводород выделяют также из продуктов нефтепереработки и коксового газа. Сжигание сероводорода подобно сжиганию газообразного топлива. В качестве реактора применяют паровые котлы, оборудованные горелками, через которые поступает сероводород и воздух. Устройство для сжигания сероводорода проще, чем для сжигания серы. Этот процесс наиболее экономичен из всех рассмотренных ранее, поэтому серная кислота, полученная из сероводорода самая дешёвая.

6-ой технолог.Окисление сернистого газа кислородом.

2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃

Опыты показали, что реакция протекает лишь при участии катализатора и при повышенной температуре. Ещё в 1831 г. Было открыто каталитическое действие платины на рассматриваемый процесс. Позднее было найдено, что реакция ускоряется также в присутствии оксидов железа, хрома, меди и ванадия. В настоящее время контактные аппараты с кипящим слоем катализатора получили большое распространение в сернокислотном производстве.

Проблема смещения равновесия в сторону образования оксида серы(VI) имеет очень большое значение. Во-первых, при этом из данного количества сырья можно получить больше серной кислоты, во-вторых, не окислившийся на катализаторе сернистый газ трудно уловить и он загрязняет атмосферу. Зная самую низкую температуру, при которой катализатор сохраняет свою активность (400⁰ С), а равновесие смещено в сторону образования SO₃, можно сделать вывод, что это и есть оптимальная температура процесса. Однако скорость реакции при такой температуре мала. При повышении температуры скорость реакции, а, следовательно, и производительность катализатора, растут, но равновесие нарушено, и в газовой смеси остаётся неокисленный оксид серы (IV). Оптимальный температурный режим поддерживается следующим образом. Реакцию следует начинать при более высокой температуре, когда катализатор ещё достаточно стоек, и постепенно снижать её в ходе реакции. В таких условиях процесс идёт с максимально возможной скоростью и с высоким выходом продукта.

До недавнего времени все стадии производства серной кислоты производились только при атмосферном давлении, но сейчас сооружают сернокислотные установки, работающие при повышенном давлении, благодаря чему достигается практически полная степень превращения оксида серы (IV) в оксид серы (VI). При указанном выше температурном режиме и давлении для смещения равновесия необходим избыток кислорода. В практических условиях в газовой смеси поддерживают концентрацию оксида серы (IV) около 7% и концентрацию кислорода около 11 %.

Для решения оптимального температурного режима в контактном аппарате необходимо утилизировать теплоту реакции, например для производства водяного пара. Для этой цели в контактном аппарате размещают теплообменники, в которых за счёт тепла горячих газов подогревается вода с таким расчётом, чтобы по мере протекания реакции температура катализатора постепенно понижалась. Выходящий из контактного аппарата горячий газ проходит трубки теплообменника и отдаёт своё тепло поступающему в аппарат холодному газу. Газ. Проходя теплообменники, нагревается и поступает в нижний слой катализатора при температуре начала реакции.

1-ый технолог.Улавливание (адсорбция) оксида серы (VI) с образованием серной кислоты или олеума.

SO₃ + H₂O → H₂SO₄ + Q

Если газовую смесь, содержащую оксид серы (VI), пропускать через воду или водный раствор серной кислоты, то оксид серы будет частично взаимодействовать с парами воды с образованием парообразной серной кислоты. При охлаждении эти пары конденсируются в виде мельчайших капелек, образуя туман серной кислоты. Туманообразную серную кислоту нельзя сколько-нибудь уловить. Но по мере увеличения концентрации серной кислоты давление водяных паров над ней уменьшается, и над раствором, содержащим 98,3% серной кислоты, оно становится практически равным нулю. Небольшое количество туманообразной серной кислоты можно уловить, пропуская далее газовую смесь через электрофильтр.

2-ой технолог.Особые условия складываются при производстве серной кислоты из сероводорода. В этом случае после частичной конденсации туманообразную серную кислоту приходится улавливать в электрофильтрах. Для увеличения скорости этой реакции используют принцип противотока. При этом жидкость (в данном случае серную кислоту) подают сверху в цилиндрическую башню, заполненную насадкой, например, кольцами. При действии силы тяжести жидкость стекает вниз, образуя на поверхности колец тонкую плёнку. При сравнительно небольших размерах колец суммарная поверхность такой непрерывно обновляющейся плёнки очень велика. Навстречу жидкости внизу в башню вводят газовую смесь, из которой извлекается компонент, реагирующий с жидкостью.

Для того, чтобы получить олеум, устанавливают последовательно две башни. Первая башня орошается олеумом, концентрация которого примерно на 1% ниже, чем продукта, который необходимо получить, вторая – 98,3%-ной серной кислотой.

Защита окружающей среды от загрязнений оксидами серы.

Применение серной кислоты.

3-ий эколог. В отходящих газах сернокислотных систем, работающих при атмосферном давлении и с однократным контактированием, содержится около 0,2% оксида серы (IV), около 0,007% оксида серы (VI) и брызги серной кислоты. Для очистки оксида серы (IV) газ пропускают через башню, орошаемую раствором бисульфита аммония, а для улавливания оксида серы (VI) – через электрофильтр. Применяют и другие методы, например, добавляют к газам озон, который ускоряет окисление оксида серы (IV). При двойном контактировании с промежуточным удалением из газовой смеси оксида серы (VI) степень окисления оксида серы (IV) достигает 99,7%, и содержание его в отходящих газах уменьшается почти в 10 раз по сравнению с содержанием в отходящих газах после однократного контактирования.

4-ый эколог.Кроме самих соединений серы экологические проблемы могут вызывать и соединения, находящиеся в составе серосодержащих руд. Например, селен 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 копыт, выпадение перьев у птиц, нарушение координации движений у животных.

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

1-ый краевед.Основным потребителем серной кислоты в промышленности является производство минеральных удобрений. На свойстве серной кислоты давать с водой прочные гидраты основано её применений как водоотнимающего реагента. Серная кислота применяется в процессах нитрования органических веществ, реакциях сульфирования, продуктами которых являются красители, лекарственные вещества, ионообменные смолы. Кислота используется в нефтеперерабатывающей промышленности для очистки бензина, керосина и других нефтепродуктов от таких примесей, которые при хранении нефтепродуктов осмоляются и загрязняют их. Спрос на серную кислоту постоянно растёт. Возрастает количество серной кислоты, используемой для получения фосфорной кислоты – сырья для получения минеральных удобрений. Большие её количества используются на производство оксида титана (IV), синтетических моющих средств, химических волокон. Особенно быстро растёт спрос на концентрированную кислоту, олеум и 100%-ный осид серы (VI).

Опыт 1.

6-ой эколог.Кислотные осадки во многих районах мира настолько повысили кислотность озёр, что жизнь их обитателей оказалась под угрозой. Борьба с этим явлением до сих пор сводилась к внесению в воду негашёной извести. Однако её применение имеет целый ряд недостатков. Чтобы их избежать, предлагаются другие способы борьбы с повышенной кислотностью воды в озёрах. Один из них – применение некоторых отходов пищевой промышленности. Этот способ позволяет решить одновременно две проблемы: утилизации отходов и понижения кислотности природных вод. Другой способ разработан группой специалистов из канадской компании «Диборн Кемикал», возглавляемой химиками Дж. Кейнсом и Д. Янгом. Они предложили вместо негашёной извести вносить в озёра некий строительный материал, обладающий такой же эффективностью в понижении кислотности. Его отличие заключается в том, что он существенно медленнее реагирует с кислотой и не вызывает нежелательных последствий. Применение гашёной извести для понижения кислотности воды в водоёмах приводит к следующим последствиям: гашёная известь – вещество едкое, поэтому может вызвать ожоги у рабочих, занимающихся её внесением, у рыб и растений, а также гибель микроорганизмов; растворение гашёной извести и её нейтрализация приводит к местному разогреву воды, что вызывает кислородное обеднение воды; существенно повышается жёсткость воды.

Первый предлагаемый способ понижения кислотности связан с применением яичной скорлупы, в состав которой входит карбонат кальция. Это позволяет избежать первые два пункта из перечня отрицательных последствий известкования водоёмов. Однако, большой проблемы в утилизации скорлупы не существует: её используют для снижения кислотности почвы, а также дают курам для увеличения прочности яиц.

Вторым способом может быть внесение в водоёмы уже ненужных в строительстве изделий из бетона. В состав цемента входят обладающие основными свойствами компоненты, которые будут медленно реагировать с содержащейся в воде кислотой. Этот способ уменьшения кислотности воды в водоёмах позволяет избежать существенных недостатков применения для этой цели гашёной извести.

Для проверки этих предположений нужно провести эксперимент. В два стакана со слабым раствором серной кислоты поместить при перемешивании соответственно измельчённую яичную скорлупу и порошок цемента. Проанализировать изменение цвета индикатора и определить нейтрализующий эффект используемого материала.

Производство серной кислоты в Свердловской области.

2-ой краевед. В Свердловской области одним из производителей серной кислоты является Среднеуральский медеплавильный завод (СУМЗ), который входит в состав Уральской горно-металлургической компании (УГМК). Медеплавильный цех завода перерабатывает медные концентраты по схеме обжига в печах «кипящего слоя», отражательной плавки огарка и конвертирования. Продуктом этого цеха является черновая медь. На заводе освоен комплекс плавки медесодержащего сырья в жидкой ванне (печь Ванюкова). При этом достигается практически полная утилизация отходящих сернистых газов за счёт действия на СУМЗе сернокислотного производства. На основе действующего на предприятии цеха по производству серной кислоты разработана и внедрена технология получения триполифосфата натрия, который является сырьём для производства синтетических моющих средств. Таким образом, на заводе осуществляется комплексная переработка техногенных отходов, действует современная система экологического мониторинга.

3-ий краевед. Производство серной кислоты осуществляется и на другом предприятии Свердловской области – Красноуральском медеплавильном комбинате. На серосодержащих отходящих газах медеплавильного цеха, получаемых при обжиге, плавке и конвертировании работает сернокислотный цех. Сернокислотное производство – необходимая природоохранная часть металлургического комплекса. На Красноуральском медеплавильном комбинате выпускается серная кислот следующих видов: контактная (1 и 2 сорт), технический олеум. Серная кислота, производимая данным предприятием, предназначается для производства удобрений, искусственного волокна, капролактама, двуокиси титана, этилового спирта, анилиновых красителей и целого ряда других производств.

Задание 1.

Тестовая работа по теме «Производство серной кислоты».

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

В каких из перечисленных аппаратах происходят химические реакции при производстве серной кислоты

Варианты ответов к вопросам 1 и 2:

печь для обжига в кипящем слое;

сушильная башня;

циклон;

поглотительная башня;

теплообменник;

электрофильтр;

контактный аппарат

Какие из перечисленных условий увеличивают скорость реакции

4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃+ 8 SO₂

Какие из перечисленных условий увеличивают скорость реакции

2 SO₂ + O₂ → 2 SO₃

Какие из перечисленных условий увеличивают скорость реакции

SO₃ + H₂O → H₂SO₄

Варианты ответов к вопросам 3, 4, 5:

измельчение сырья;

повышение температуры;

увеличение поверхности соприкосновения реагирующих веществ;

использование катализатора;

увеличение давления.

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

Задание 2.

Внесите в предложенную таблицу названия ниже перечисленных объектов: обжиг колчедана, увеличение концентрации реагирующих веществ, окисление, противоток, электрофильтр, очистка от пыли, циклон, применение катализаторов, вода, серная кислота, гидратация, использование оптимальных температур, циркуляция материальных и тепловых потоков, воздух, комплексное использование сырья и материалов, руда.

Задание 3.

Серная кислота имеет разнообразное применение. В таблице найдите соответствие между свойствами серной кислоты и областями её применения:

Задание 4.

Расположите виды серосодержащего сырья в ряд по убыванию содержания серы, если даны цинковая обманка ZnS, халькопирит CuFeS₂, серный колчедан FeS₂.

Задание 5.

Сульфаты меди (II) и калия в производстве получают по следующей схеме:

FeS₂ → S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄ (р-р) → CuSO₄

↓

K₂SO₄

Составьте по предложенной схеме уравнения реакций. Отметьте реакции обмена, разложения, соединения, реакции, происходящие с изменением степени окисления элементов и без изменения степеней окисления.

Список литературы.

1. Коробейникова Л. А., Рысс В. Л. Проверь свои знания по неорганической химии. М., «Просвещение», 1981.

2. Крицман В. А. Книга для чтения по неорганической химии. М., «Просвещение», 1974.

3. Оржековский П. А., Давыдов В. Н., Титов Н. А. Творчество учащихся на практических занятиях по химии. М., «Аркти», 1999.

4. Сенкевич В. М., Суравегина И. Т. Как учить экологии. М., «Просвещение», 1995.

5. Ходаков Ю. В. Преподавание химии в 7 – 8 классах. М., «Просвещение», 1969.

6. Эпштейн Д. А. Общая химическая технология. М., «Химия», 1979.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/93472-urok-seminar-po-teme-proizvodstvo-sernoj-kisl