Урок-конференция по теме Производство азотной кислоты

Разработанный урок-конференция в форме
делововой игры по теме: «Производство азотной
кислоты» может быть проведена и на
факультативных занятиях. В ходе деловой игры
используются различные формы и методы игрового
обучения.

Для проведения игры необходимы ТСО (учебное
телевидение, магнитофон,
графопроектор.компьютор), длинный стол,
расположенный в центре помещения. На столах
перед представителями отделов должны быть
таблички с указанием должности играющего.
Целесообразно оформить выставку специальной
справочной литературы, подготовить экран,
плакаты, слайды, кинофрагменты, технологические
схемы и другие средства наглядности.

Блок-схема ролевой игры содержит три этапа:

  • подготовительный,
  • игровой,
  • заключительный.

Подготовительный этап:

установка на игру -
вводная лекция — беседа, распределение главных
ролей и формирование отделов; ознакомление с
пакетом — заданием и консультация (сюда же
относят проведение индивидуальных
консультаций).

Игровой этап:

проведение конференции, в
начале которой формулируется задача разработать
оптимальные условия синтеза азотной кислоты
(предложить схему и ее решение).

Заключительный этап:

заключительная речь
главного инженера, обсуждение игры, контрольное
сочинение и награждение победителей.

На подготовительном этапе большое значение
имеет вступительная беседа-лекция учителя- В
беседе учитель формулирует цели и задачи игры,
сообщает, что деловая игра в классе будет
имитировать работу научно-исследовательского
института, который получил «правительственное»
задание по разработке оптимальных условий
синтеза азотной кислоты и составлению
технологической схемы производства. В беседе с
учащимися он особое внимание обращает на
важность, актуальность и серьезность стоящей
перед страной проблемы увеличения производства
химической продукции. Речь учителя должна
увлечь, заинтересовать ребят, ибо от внутреннего
настроя учащихся будет зависеть ход игры.

На подготовительном

этапе распределяют
главные роли и формируют состав отделов.

Работу НИИ представляют следующие отделы».

  1. теоретический,
  2. технологический,
  3. экономический,
  4. техники безопасности,
  5. охраны окружающей среды, а также группа
    оппонентов,
  6. агроном.

Главные роли:

  1. директор НИИ;
  2. химик-инженер;
  3. историк;
  4. начальники всех отделов.

Претендентов на главные роли выбирают учащиеся
класса под руководством учителя с учетом уровня
знаний и индивидуальных особенностей учеников. В
состав каждого отдела входят 3-5 человек. Группы
формируются по желанию.

Участники каждого игрового отдела, получив
пакет-задание, знакомятся с его содержанием,
уясняют цель и задачи, поставленные перед
отделом, формулируют вопросы, по которым
требуется консультация преподавателя.

Индивидуальная консультация назначается
поочередно с сотрудниками всех отделов во
внеурочное время, при этом учащиеся могут
получить справку по всем интересующим их
вопросам, которые возникли у них в ходе работы со
специальной, справочной и дополнительной
литературой.

Задание дается в конвертах или папках и
содержит должностную характеристику и все
необходимые установки для игры. Приведем
содержание пакетов-заданий для всех отделов НИИ
и исполнителей главных ролей.

Директор НИИ.

Открывает конференцию вступительным словом о
роли азотной кислоты в народном хозяйстве, его
значение в химической промышленности.
Формулирует «Правительственное» задание:
«Разработать оптимальные условия синтеза
азотной кислоты, составить технологическую
схему производства». Раскрывает сущность
проблемы и актуальность. Сообщает участникам
игры, что в процессе обсуждения задания работа
всех отделов НИИ будет оцениваться по качеству
выступлений, рациональных предложений,
выдвинутых в ходе дискуссий, критических
замечаний и к другим отделам. Предоставляет
слово главному инженеру, который руководит
дальнейшей работой участников конференции.

В заключение конференции директор дает оценку
работе отделов и главных действующих лиц, дает
задание всем отделам: составить отчет о
проделанной работе на подготовительном этапе (с
указанием использованной литературы) и в ходе
конференции.

Химик.

Правая рука директора «дирижер
игры». Записывает уравнения реакции получения
азотной кислоты и формулирует основные проблемы,
по которым будет происходить дискуссия:

1) выбор состава газовой смеси;

2) выбор оптимальной температуры;

3) выбор оптимального давления;

4) подбор наиболее выгодных катализаторов;

5) источники сырья;

6) технология процесса;

7) техника безопасности;

8) экология.

Во время игры главный инженер поочередно
предоставляет слово представителям всех отделов
НИИ и оппонентам. Руководит ходом игры.
Наводящими вопросами и отдельными репликами
побуждает играющих к дискуссии.

На заключительном этапе игры в своем
выступлении рассказывает о вкладе НИИ в
разработку оптимальных условий производства
азотной кислоты.

Историк.

Делает сообщение об истории
промышленного получения азотной кислоты, дает
краткую характеристику различным способам его
производства, отмечает их достоинства и
недостатки, называет наиболее перспективный
способ получения азотной кислоты. Ответ должен
опираться на уравнения реакций, лежащих в основе
производства всех способов получения азотной
кислоты (можно использовать графопроектор) и
быть по возможности кратким и четким.

Теоретический отдел.

Задача сотрудников
отдела — предложить и обосновать оптимальные
условия, необходимые для максимального выхода
азотной кислоты.

Представители отдела должны знать технологию
производства, устройство и принципы действия
основных и вспомогательных аппаратов.

Отдел изучает аппаратуру для получения азота и
водорода из источников сырья и вспомогательную
аппаратуру для очистки газов от примеси. Решает
следующие вопросы:

  1. Перспективное развитие предприятия,
  2. Его техническое совершенствование,
  3. Возможность создания новых технологий
    производства азотной кислоты.

Экономический отдел.

Основная задача
сотрудников отдела — это повлиять на ход
обсуждения при выборе оптимальных условий
производства кислоты так, чтобы он был по
возможности наиболее выгодным с экономической
точки зрения. При проектировании новых крупных
промышленных установок необходимо добиваться
максимального снижения энергоматериальных и
капитальных затрат, себестоимости выпускаемой
Продукции.

Отдел техники

безопасности. Сотрудники
отдела решают вопросы безопасности работы при
производстве кислоты. Делают сообщения: техника
безопасности (указывают на возможность взрывов,
пожаров и меры и их предотвращения); признаки
отравления аммиаком и правила оказания первой
медицинской помощи; способы хранения и
транспортировки кислоты; правила работы с
веществами, используемыми при синтезе азотной
кислоты.

Отдел защиты окружающей среды.

Работники
отдела должны знать состав выбросов,
образующихся при производстве азотной кислоты,
способы предотвращения вредного воздействия их
на окружающую среду. В выступлении на
конференции необходимо показать взаимосвязь
между производством и состоянием окружающей
среды; убедить присутствующих в необходимости
бережного отношения к природе; обосновать
гражданскую ответственность за охрану природы
от вредного воздействия производства;

Предложить способы

утилизации отходов.

Оппоненты.

Задача оппонентов заключается в
том, чтобы оживить игру. Для этого необходимо
разработать вопросы, которые вовлекли бы
участников игры в дискуссию. Эти вопросы должны
быть предназначены всем отделам НИИ. В отчет
следует включить все вопросы и замечания по
работе отделов.

Перед началом игры каждый начальник отдела
зачитывает поочередно состав своего отдела, а
участники занимают приготовленные для работы
места.

Подобные игры воспитывают у учащихся чувства
товарищества, навыки совместной деятельности,
правила поведения в ходе дискуссии.

ХОД УРОКА

Учитель:

Внимание! Сегодня к нам в гости
пришли представители АООТ «Азотный». На этой
встрече вы узнаете все особенности производства
азотной кислоты, его значение для народного
хозяйства. В ходе встречи вы должны внимательно
слушать, записывать в тетрадь интересные факты,
определения, схемы. В конце встречи гости ответят
на все ваши вопросы. Итак, предоставляем слово
делегации АООТ «Азотный».

Руководитель производства:

Сегодня к вам в
гости пришли люди разных профессий, которые
работают на нашем предприятии по производству
азотной кислоты. Это: химик, технолог,
катализаторщик, биолог — эколог, агроном, историк.
Нас окружает множество вещей и материалов, без
которых мы не представляем себе современной
жизни. Анилиновые краски, целый мир электроники,
взрывчатые вещества, необходимые при прокладке
тоннелей и строительстве плотин, минеральные
азотные удобрения — все эти продукты получают с
использованием азотной кислоты.

Историк:

Вот почему уже в XIV веке азотная
кислота, единственная минеральная кислота,
являлась продуктом кустарного производства. До
начала XX века технология ее производства
базировалась на использовании природной
селитры.

NаNОз + Н2SO4 = HNO3 + NаНSO4

Выделенную азотную кислоту конденсировали в
холодильниках, поглощали водой, собирали и
хранили в стеклянных бутылях.

Руководитель производства:

Азотная
кислота редко выходит за пределы химического
предприятия, но она незримо присутствует в
окружающем нас предметно — вещественном мире.
Очень часто, глядя на тот или иной предмет, будь
то лекарство или какой — то синтетический шелк, мы
и не предполагаем, каким глубоким химическим
взаимодействиям подвергалось исходное вещество,
прежде чем предстало перед нами в своем конечном
качестве. Производство азотной кислоты наряду с
другими производствами у нас определяет
индустриальный и культурный уровень страны, мощь
ее промышленного потенциала, уровень развития
химической промышленности.

Биолог-эколог:

Да, все хорошо было бы, но уже
в конце века стало ясно, что природная кладовая
чилийской селитры не может удовлетворить все
возрастающую нужду в азотной кислоты. Природная
кладовая связанного азота была близка к
исчерпанию: селитра стала источником азотных
удобрений для сельского хозяйства. Потребление
нитратного азота в промышленности и сельском
хозяйстве быстро росло.

Химик:

Поэтому это вызвало тревогу у нас
специалистов в области науки, возникла острая
общественная необходимость решения проблемы
получения связанного азота на неисчерпаемой
базе азота воздуха. Это был социальный заказ
человечества науке. И этот заказ был выполнен. В
1905 году был разработан дуговой метод получения
кислоты из воздуха.

Историк:

Технология производства
концентрированной азотной кислоты, например в
России, разработал инженер И.И. Андреев,
предложивший использовать аммиак, образующийся
при коксовании угля. Под его руководством была
изготовлена и первая промышленная установка (1914
-1915гг.). Андреев вместе со своими помощниками
инженерами Н.М. Кулепетовым и А.К. Колосовым
построил в Донбассе первый в мире завод по
производству азотной кислоты.

Химик:

В основе химического производства
азотной кислоты лежат следующие химические
реакции, соответствующие схеме превращений:

NH3 -> NO -> NO2 -> HNO3

Обратите внимание на таблицу на доске, где
указаны основные химические характеристики,
которые необходимо учитывать при производстве
азотной кислоты (учащиеся смотрят на доску).

Итак, первая стадия — окисление аммиака на
катализаторе. Одновременно с этой основной
реакцией могут протекать и побочные, например:

4NH3 +3O2 = 2N2+6H2O+Q

Для их предупреждения время контакта газовой
смеси (NH3 + O2) с катализатором должно
быть очень мало (порядка 10-4 c) Необходимо
также иметь в виду, что смеси аммиака с воздухом и
с кислородом взрывоопасны, поэтому содержание
аммиака в аммиачно-воздушной смеси должно
контролироваться и не должно превышать 10 -15%.

Катализаторщик:

Катализатор окисления
состоит из сплава платины с родием (или паладием)
и оформлен в виде сеток, сплетенных из тонких (0,09
мм) нитей сплава. В условиях высоких температур
контактирования и высоких скоростей газовых
потоков, продуваемых через платиновые сетки, они
механически изнашиваются, что приводит к
значительным безвозвратным потерям
дорогостоящей платины. Поэтому ведутся
исследования. Во многих случаях уже используют
платиновые катализаторы на основе кобальта,
железа, хрома.

Химик:

Далее идет вторая стадия процесса -
перевод полученного оксида азота (II) в HNO3.
Технологической особенностью этой стадии
является медленное протекание реакции и
снижение скорости растворения N0; в воде по мере
насыщения (повышения концентрации) получаемой
кислоты. Это требует наличие поглотительных
установок больших объемов и указывает на
неизбежность выбросов NO в атмосферу. Однако
повышение давления в этой стадии ускоряет
процесс окисления NO и поглощения NO2. Объем
поглотительных установок при этом резко
снижается, а концентрация HNO3 возрастает.

Технолог:

Поэтому процесс получаемой
азотной кислоты в промышленности протекает в
несколько стадий (учащиеся открывают учебник
рис.21 стр.57):

1. Подготовка аммиачно-воздушной смеси. Ее
получают непосредственно перемешиванием NН3
с воздухом, предварительно очищенного от
примесей. Эта смесь поступает в контактный
аппарат, где под влиянием катализатора (Рt — Rh
сетки) происходит окисление NH3 ( см. таблицу на
доске), т.к. эта реакция экзотермическая, то
необходимая температура поддерживается за счет
выделения теплоты реакции. И здесь происходит
вторая стадия производства НNO3 — окисление
3 до оксида азота (II).

2. Окисление оксида азота (П) до оксида азота (IV).
Так как эта реакция идет при обычной температуре,
поэтому выходящую из контактного аппарата
газовую смесь, содержащую N0;, охлаждают,
пропуская ее в паровой котел-утилизатор, где
получают водяной пар. Наступает последняя
стадия.

3. Поглощение NO2 водой и получение НNO3.
Газовую смесь, содержащую NO2, направляют в
поглотительную башню, которая для увеличения
поверхности соприкосновения газа с водой
заполнена фарфоровыми кольцами (для увеличения
площади взаимного контактирования веществ). Вода
в башню поступает сверху, а газовая смесь,
содержащая оксид азота (IV) — снизу — смешивание и
взаимодействие идет по принципу противотока.
Условием является избыток кислорода, тогда не
будет в результате реакции выделятся NO:

3NO2+H2O -> 2HNO3+NO

Так как реакция с водой экзотермическая, а при
температуре разлагается, то а обычных условиях
получают раствор HNOз концентрацией не менее 60%.
Более концентрированную НNОз получают. добавляя
концентрированную Н2s04 в качестве
водоотнимающего средства.

Биолог-эколог: Производство
азотной кислоты долгое время находилось в
противоречии с требованиями экологически
чистого производства. Даже еще сейчас у нас на
планете можно увидеть, над выхлопной трубой
заводов, производящих HNO3 , «лисий
хвост». Дело в том, что как мы уже говорили,
превращение NO в NO2 , поглощение NO2
водой — процессы медленные. Для того чтобы
снизить содержание оксидов азота в отходящих
газах с 0,25 до 0,05%, требуется вдвое увеличить
удельный объем абсорбционной аппаратуры. Это
резко повышает стоимость аппаратуры, возрастает
амортизационные расходы, а следовательно, и
стоимость. Из выхлопных труб и выбрасывают NO
(бесцветный газ), который попадает в воздух,
превращается в красновато-бурый газ NO2 -
вред растительному и животному миру, вызывают
коррозию машин, механизмов, трубопроводов,
сокращает срок службы строений. Поэтому
установление ПДК (предельно допустимые
концентрации) обязательно для оксидов азота в
воздухе, которые для рабочих зон составляют в
пересчете на NO2 5 мг/м3, а для
приземного слоя населенных мест всего лишь 0,086
мг/м3 .

Химик:

Чтобы выполнить эти жесткие
санитарные требования, необходимо снизить
содержание оксидов азота в выхлопных газах
заводов, производящих НNO3 до 0,01%. Это
достигается применением адсорбентов в виде
растворов щелочей, Н2SO4; наиболее
радикальным методом, освоенным в промышленности,
является восстановление оксидов азота до
молекулярного азота различными
восстановителями (Н2, СН4),

Биолог-эколог:

Задача химиков заключается
не только в производстве больших количеств
азотной кислоты и азотных удобрений, но и в том,
чтобы производить их и использовать
экологически безупречно, только с
использованием очистки, с пользой для природы и
общества. Здесь много не решенных задач еще есть.
Укажем одну из них: создание долговременно
действующих азотных удобрений, которые бы хорошо
усваивались растениями, но не вымывались бы из
почвы. Много не решенных задач и в области
получения самих нитратов и азотной кислоты.

Агроном:

В составе удобрений используют
нитраты аммония, калия, натрия, кальция. Следует
по-видимому, подробнее остановиться на
«нитратной проблеме» в
сельскохозяйственном производстве. Необходимо
ясно представить, что само по себе присутствие
нитратов в растениях (в отличии, например, от
ядохимикатов) — явление, совершенно естественное.
Речь идет лишь о том, что неправильное
использование минеральных удобрений приводит к
накоплению нитратов в плодоовощной продукции
выше всяких допустимых пределов. В дальнейшем
поступающем в организм с растительной пищей
нитраты в ходе биохимических превращений
преобразуются в вещества, которые могут стать
причиной ряда заболеваний, в том числе
онкологических. Для снижения концентрации
нитратов в готовой продукции необходимо в первую
очередь применять комплекс удобрений, правильно
сбалансированный по соотношению основных
элементов питания растений. Кроме того, за 1 — 1,5
месяца до уборки урожая следует прекратить
азотные подкормки. Местные агрохимические
службы обязаны уточнять рекомендованные
методики применения удобрений с учетом
конкретных условий (выращиваемые культуры,
почвы, климат и т.д.), а также контролировать
качество получаемой продукции. Обладателям
садовых и приусадебных участков можно
порекомендовать поддерживать самые тесные
контакты с подобными организациями, которые
помогут их грамотно и без нежелательных
последствий использовать достижения
современной химии.

Руководитель производства:

Не смотря на
еще не все решенные проблемы в производстве НNО3,
учитывая значимость и особенности производства
НNО3, мощность современного производства
азотной кислоты огромна и продолжает расти. В
капиталистических и развивающихся странах еще в
1965 г. она составляла 12,4 млн. т, а в 1980 достигла 25
млн. т. В России за 20 лет выросла более чем в 5,5
раза.

Заключительное слово учителя.

1. Конференция прошла плодотворна и достигла
поставленной цели: рассмотреть. как развивалось
производство азотной кислоты во времени и ее
применение в народном хозяйстве.

2. Материалы предоставленные учениками
показывают умение использовать не только
школьную литературу. но и дополнительно научно -
популярные источники.

3. Многие приведенные фактические примеры
иллюстрируют связь с другими предметами:
историей. географией .биологией . экологией.

На доске таблица. Сравнительная
характеристика химических реакций, лежащих в
основе производства азотной кислоты, и условия
их протекания


Признаки сравнения Условия протекания
Уравнения химической реакции Обратимая и необратимая
реакция
Экзотермическая реакция Гомогенная и гетерогенная Т0 kt p
4NH3+5O2=4NO+6H2O Необратимая +Q Гетерогенная 800-850o Pt-Rh -
2NO+O2=2NO2 Обратимая +Q Гомогенная - - 1 Мпа
4NO2+O2=4HNO3 Обратимая +Q Гетерогенная - - 5 Мпа





Внимание, только СЕГОДНЯ!

Следующий: