Интегрированный урок–экскурсия на тему Проблема получения «связанного» азота. Условия получения промышленного аммиака (9 класс)

Тема: «Проблема получения «связанного» азота. Условия получения промышленного аммиака». Интегрированный урок – экскурсия. Цель и задача урока:
Актуализировать умения учащихся составлять характеристику реакции и предлагать условия для её проведения; ознакомить учащихся с закономерностями реакции синтеза аммиака; совершенствовать умение учащихся объяснять, какие факторы принимаются во внимание при выборе оптимальных условий проведения химических промышленных процессов; ознакомить учащихся с оптимальными условиями промышленного синтезы аммиака.
Тарантул О.А. – учитель химии МБОУ «СОШ№2».
г. Алексин. Учитель: Сегодня у нас необычный урок: нам предстоит узнать в каких направлениях развивается и совершенствуется производство аммиака, научиться подбирать оптимальные условия для осуществления процесса в производственных масштабах, познакомиться с людьми интересных профессий, и как знать, может кто-нибудь из вас сделает сегодня выбор.
Решим задачу использования свободного азота атмосферы, поговорим о его биологическом значении и познакомимся с белками.
Ну, а теперь, я скажу вам самое главное, для решения этих вопросов мы отправляемся на экскурсию.
Генеральный директор: Здравствуйте, ребята и вы, уважаемые гости! Вы находитесь на презентации научно-исследовательского института «Связанный азот». Наш институт работает над проблемой использования атмосферного азота в разных областях народного хозяйства. Мы разрабатываем технологии по производству аммиака, минеральных удобрений, продуктов питания, Сегодня, мы хотим познакомить Вас с работой нашего института и всех его отделов. А так же ответим на все заданные вопросы. Наш институт состоит из следующих отделов: теоретический отдел. Теорики изучают механизмы химических реакций, особенности поведения и структуры веществ, выявляют научные закономерности. Технологический отдел — Химики-технологи должны обеспечить выпуск химической продукции. Они должны хорошо знать не только особенности химических реакций данного производства, но и аппараты, и реакторы. Химики- технологи должны заботиться о том, чтобы от их деятельности не пострадала природа, чтобы были минимальными затраты на энергию, а сырье расходовалось рационально.
Экономический отдел — Экономисты изучают энергоемкость химических процессов, эффективность цикличности производства, ведут расчеты стоимости аппаратуры, катализаторов.
Биологический отдел — Этот отдел занимается разработкой технологии производства продуктов питания, лекарств на основе исскуственного белка.
Отдел техники безопасности и охраны окружающей среды — Они разрабатывают нормативы загрязнения окружающей среды в ходе перечисленных выше производств, правила техники безопасности всех производственных процессов, а так же, ведут строгий учет данным нормативам. Кроме этого, в нашем институте проводит консультации квалифицированный историк.
Прохожий: Я проходил тут мимо и увидел вашу вывеску. Это меня очень заинтересовало. Что, вы, тут связываете азот, что ли?
Генеральный директор: Проходите пожалуйста, садитесь. Вы получите ответ на свой вопрос. Давайте сначала выслушаем нашего биолога. Он раскроет Вам значимость азота, как составной части всего живого на Земле.
Биолог: Азот является одним из четырех элементов, без которых невозможно существование живой клетки, так как азот входит в состав аминокислот, а из них, в свою очередь, образуются белки. Отличительная особенность живых тел — содержание в них
белков. Поэтому азот, с биологической точки зрения более ценен, чем самый редкий из металлов.
78% азота содержится в воздухе, и над каждым м2 земной поверхности находится 7.5 тыс. тонн азота. Проблема состоит в том, чтобы этот азот взять из воздуха. Ни человек, ни животные этого сделать не могут - они потребляют белки в готовом виде из пищи. Растения потребляют азот в виде минеральных солей из почвы. И только бактерии и сине-зеленые водоросли могут усваивать азот из воздуха. Надо сказать, что именно бактерии сыграли решающую роль в накоплении азота в современной атмосфере.
Вот почему наш институт называется «Институт связанного азота», так как мы разрабатываем проекты использования этого азота для различных нужд народного хозяйства.
Генеральный директор: Сегодня в условиях рыночной экономики. Перед сотрудниками нашего института стоит задача: разработать оптимальные высокоэффективные условия синтеза аммиака, составить технологическую систему производства. Итак, первое слово химикам-исследователям.
Теоретический отдел:
(на столе штатив с пробирками, колба с аммиаком, стакан с водой, ф-ф, нашатырный спирт).
Начальник отдела: Бесчисленное множество химических реакций осуществили мы в лаборатории, но это небольшое уравнение займет особое место в бесконечном ряду. Итак, будем пропускать газовую смесь, в которой объемное отношение азота и водорода примерно равно 1:3 через стеклянную трубку, а образовавшийся газ соберем в склянку.Лаборант: Как мы определим, что образовавшийся газ - аммиак?Начальник отдела: очень просто. Растворим его в воде и прильем несколько капель ф-ф-на, так как водный раствор аммиака - слабое основание, то должно получиться малиновое окрашивание (записывает реакцию на доске).
(На магнитной доске -помощник начальника отдела собирает прибор для синтеза аммиака).
-7429527114500
Помощник: Пропустим смесь азота и водорода через трубку без нагревания. Начальник отдела: Реакция при нормальных условиях не идет.
Помощник: изменим условия реакции: будем нагревать азотоводородную смесь.
Начальник отдела: Реакция не протекает и при повышенной температуре.
Помощник: Проверим, не является ли реакция каталитической. Поместим в трубку порошкообразное железо и вновь будем пропускать смесь при обычной температуре.
Начальник отдела: Реакция не идет. А если подогреть трубку? Раствор ф-ф-на окрашивается в малиновый цвет.
Помощник: Значит, в присутствии железа при повышенной температуре образуется аммиак. Из результатов определения теплового эффекта следует, что реакция азота с водородом - экзотермическая. А низкий процентный выход аммиака (0.4%) объясняется протекавшем в условиях опыта обратимой реакции, реакции разложения аммиака. Следовательно, делаем вывод:
213995-1079500
Реакция обратимая, протекает между газами с уменьшением объема, экзотермическая и каталитическая.
(Пакет документации передается генеральному директору).
Генеральный директор: пока технологический отдел изучает результаты работы теоретического отдела, послушаем историческую справку о первых опытах связывания азота.
Историк: Первые опыты по связыванию свободного азота атмосферы были проведены в конце VIII века. В 1775г. шведский ученый Карл Шееле открыл реакцию связывания свободного азота в цианид. На основании этой реакции в 1895г. был разработан цианамидный метод. Он получил довольно широкое распространение, но сопровождался затратами больших количеств электроэнергии и сошел на нет. Параллельно этому способу английскими учеными Джозефом Пристли и Генри Кавендишем была открыта реакция азота с кислородом при сильных электрических разрядах с образованием оксида азота. Этот способ получил название дугового и нашел некоторые распространения с начала ХХв.
Но уже к 1925г. его перестали применять из-за чрезвычайной невыгодности: в нем потреблялись колоссальные количества энергии. Потребности же в азотных соединениях возрастали. Поэтому крайне необходим был такой способ связывания свободного азота, имевшегося в неограниченном количестве в атмосфере, который мог бы удовлетворить потребности человеческого общества в соединениях азота и был бы энергетически выгодным.
Генеральный директор: (Вручает пакет документов технологическому отделу).
Технологический отдел: Привлечем теоретическое положение - принцип Ле- Шателье для выяснения условий сдвига химического равновесия в сторону образования аммиака. Поскольку реакция экзотермическая, равновесие сместится в сторону образования аммиака при понижении температуры. Реакция идет с уменьшением объема. Равновесие сместится в сторону образования аммиака при повышении давления.
Но возникает вопрос: «Сколь неограниченно можно понижать температуру и повышать давление?»
При низких температурах мала скорость реакции. Поэтому выход аммиака оказывается незначительным. Для того чтобы синтез аммиака протекал с высокой скоростью и при возможно низкой 1°, необходим катализатор.
Но катализатор ускоряет и прямую и обратную реакцию одинаково, следовательно, эти условия невыгодны для промышленного производства.
В соответствии с принципом смещения равновесия необходимо использовать давление.
По при высоких давлениях и температурах водород диффундирует через обычные стали, а азот и аммиак реагируют с ним.
Как же сообщить азотно-водородной смеси необходимую температуру и поддержать оптимальную температуру в зоне катализатора?
12890531750000Очевидно нужно использовать для этого принципы «противотока».
Колонну синтеза нужно сделать из двух цилиндров. Катализатор засыпать в цилиндр меньшего диаметра, тогда между коробкой и корпусом будет образовываться кольцевое пространство. Туда будет Поступать холодная азотоводородная смесь и предохранять корпус от чрезмерного нагревания.
А что если смесь подогреть по «принципу теплообмена». Это дало бы возможность утилизировать теплоту реакции и снизить расход энергии.
Поместим в колонну синтеза трубчатый теплообменник, по которому азотноводородная смесь будет поступать в катализаторную коробку на катализатор.
Теперь необходимо выбрать давление.Предлагаю три варианта ответа:Первое: синтез под давлением до ста атмосфер.Второе: от двухсот до трехсот атмосфер.Третье: от семьсот пятидесяти до тысячи атмосфер.
Необходимо просчитать экономический эффект каждой из систем. А пока займемся выбором катализатора. Каталитически на реакцию синтеза действуют многие металлы имеющие незавершенный предвнешний энергетический уровень. Это - железо, уран, осмий, платина, марганец, вольфрам. Наиболее активны из них - уран и осмий.
Итак, подведем итоги работы: температура и давление определены, катализатор выбран, колонна синтеза сконструирована. Осталось запросить у теоретического отдела информацию о сырье и можно отдавать документацию экономистам (передают пакет генеральному директору).
Историк: В начале XX в. начались усиленные исследования ученых, особенно в Германии, где их проводили крупные физико-химики Фриц Габер и Карл Бош. Значение работ ученых других стран, в частности Франции, также велика, так как без открытий Ле-Шателье, например, было бы гораздо труднее решить задачу соединения азота с водородом. Поэтому, хотя каталитический синтез аммиака и родился в Г ермании, но, по сути, он интернационален. Работы Фрица Г абера по синтеза аммиака начались в 1904г. В 1909г. он сконструировал маленький контактный аппарат, где применял повышенное давление — осмиевый катализатор. Разработанный процесс был рекомендован для промышленного производства аммиака. Всеми работами по внедрению синтеза аммиака в промышленность руководил Карл Бош. В начале 1911г. началось производство аммиака. И к концу года его было получено 11 000кг. В 1913г. ежедневная продукция завода превышала 10 тонн. В 1917г. - 7 000т. в месяц. Так произошло становление одного из самых важнейших процессов химической промышленности. В 1918г. Габеру и Бошу была присуждена Нобелевская премия.
Теоретический отдел:
Начальник отдела: Неисчерпаемым источником азота является воздух. Если его подвергнуть «глубокому охлаждению», то есть довести до температуры - 192 °С, то он превращается в бесцветную жидкость. Затем жидкий воздух нагревают, из него испаряется азот, а кислород остается в виде жидкости. Этот процесс называют ректификацией. Таким образом из воздуха получают азот, необходимый для синтеза аммиака.
Лаборант: А где взять водород? Ведь он редко встречается в природе?
Начальник отдела: Его можно получить несколькими методами: электролизом воды, конверсией метана, разделением коксового газа.
Электролиз воды дает возможность получать водород всякой степени чистоты, но этот метод требует большого расхода электроэнергии, поэтому применяется мало.
21590110680500В природных газах содержится до 98% метана. Процесс переработки их на водород заключается в получении водорода из метана с помощью водяного пара и кислорода. Этот процесс получил название конверсии метана и имеет следующую суммарную схему:Процесс разделения коксового газа для получения из него водорода нашел значительное распространение. Он основан на разности температур кипения водорода и других компонентов коксового газа. Если охладить его до температуры - 200 °С, то все компоненты перейдут в жидкое состояние, а водород останется в газообразном.
Помощник: Но ведь после конверсии метана газ содержит приблизительно 30% углекислого газа, до 4% угарного, 0.5% аргона и следы сероводорода. Его необходимо подвергнуть полной очистке, так как эти соединения являются косметическими ядами.
Начальник отдела: От двуокиси газ очищают при помощи жидких поглотителей, чаще всего воды. От окиси лучше всего избавиться при помощи аммиачных растворов солей меди. Сероводород поглощается водными растворами щелочей. В последнее время для очистки газа стали широко применять жидкий азот.
Генеральный директор: Последним звеном в нашей цепочке остается экономический отдел. Слово за экономистами. Я вручаю вам пакет документации.
Экономический отдел:
Нам предстоит рассчитать скорость прохождения газа через 1 м3 катализатора за 1 час, то есть объемную скорость газа. Выбрать оптимальное давление, дешевый катализатор, определить процентный выход аммиака.
Начнем с объемной скорости.Данные показывают, что при объемной скорости 15тыс.м3/'м3.час. содержание аммиака 19.6%, а при скорости 30тыс.м3/м3.час. содержание аммиака составило 14.6%. Произведем вычисления.
15 000 • 0.196 = 2 850м3
30 000 • 0.146 = 4 380м3 Отсюда следует вывод о целесообразности работы контактных аппаратов при высоких объемных скоростях.
А если увеличить объемную скорость до 45тыс.м3\м3.час?
Это приведет к увеличению расхода электроэнергии на перекачку газа, увеличатся размеры аппаратуры, а, следовательно, и расход металла.
Эти же самые аргументы можно привести и относительно давления. Стоимость оборудования будет возрастать параллельно давлению. Поэтому оптимально вести синтез при трехсот атмосферах.
Катализатор следует выбрать самый доступный - губчатое железо. А для придания высокой стабильности ввести добавки оксидов алюминия и калия.
Итак, вернемся к нашим расчетам. Кажется, все предусмотрели, но безжалостные цифры показывают, что выход аммиака составляет не более 20%, а остальное - не прореагировавшая азотно-водородная смесь. Необходимо данный проект вернуть технологам на доработку. (Передают пакет документов генеральному директору).
Историк: В Советском Союзе первый завод синтетического аммиака был построен в 1928г. в городе Чернореченске, а в 1933г. в городе Новомосковске Тульской области. Одним из самых мощных заводов по производству синтетического аммиака является в настоящее время завод в г. Невинномысске. В настоящее время во всех странах мира работает свыше трехсот пятидесяти заводов синтетического аммиака.
Технологический отдел: (Получает пакет от генерального директора).
Начальник отдела: Нам предполагается найти решение для более эффективного применения азотно-водородной смеси. Не прореагировавшие вещества нужно отделить от продукта реакции и снова вернуть в реакционный аппарат для дальнейшего использования. Газовую смесь необходимо направить в сепаратор, а оттуда в циркуляционный компрессор, где давление смеси повышается до рабочего. По выходе смесь соединяется со свежим газом и цикл повторится. Благодаря такой циркуляции использование азотно-водородной смеси удается довести до 95%.
Генеральный директор: Итак, мы разработали полный пакет документов производства аммиака на основе атмосферного азота. Вероятно у вас, ребята, возникли вопросы. Наши специалисты готовы на них ответить.
Первый вопрос: Зачем нужно так много получать NH3 в год? Он нужен для производства других соединений?
Ответ (отдел технологов): Конечно! Газообразный аммиак применяют в производстве азотной и синильной кислоты, удобрений, соды. Жидкий аммиак применяют в качестве рабочего вещества в холодильниках. А такое производное аммиака, как хлорид аммония входит в состав микстуры от кашля, это лекарство от заболеваний бронхов, сердечной отечности, почек.
Второй вопрос: Насколько вредно производство NH3 для окружающей среды? Ответ (отдел ТБ): Специальная санитарная лаборатория проводит контроль стоков и атмосферного воздуха на территории завода и санитарной зоны. Лаборатория водного контроля проверяет количество оборотной воды принятым нормам.Третий вопрос: Какие правила и нормы по технике безопасности надо соблюдать при производстве NH3?Ответ (отдел ТБ): Наша установка синтеза аммиака является современной, а, следовательно, все процессы, проходящие в ней, автоматизированы. За смену на установке работают всего двенадцать человек. Контроль за процессом дистанционный. Операторы находятся в зале центрального пункта управления и следят за контрольно-измерительными приборами.Жидкий аммиак привозят в железнодорожных цистернах или в стальных баллонах. Аммиачные цистерны окрашены в белый цвет и имеют желтую полоску с надписями «Жидкий аммиак - ядовито».Баллоны окрашены в белый цвет. Надпись на них черная. Аммиачные баллоны запрещается хранить на солнце и устанавливать вблизи источников тепла.
Четвертый вопрос: Ну, а если утечка NH3 все же произойдет, как защитить органы дыхания работникам химического комбината?
Ответ (отдел ТБ): Защиту органов дыхания от NH3 обеспечивают фильтрующие промышленные и изолирующие противогазы или влажная ткань, пропитанная раствором соды.
Признаки отравления NH3- раздражение слизистых оболочек и кожных покровов, слезоточение. Острое отравление NH3 приводит к поражению глаз и дыхательных путей, удушью и отеку легких. При отеке нельзя делать искусственное дыхание. Оказание помощи до приезда врача: вынести пораженного на чистый воздух, обеспечить тепло и покой, дать О2, промывать глаза, кожу, нос в течение пятнадцати минут водой или 2% раствором борной кислоты.
Пятый вопрос: А меня заинтересовал процесс получения белков на основе атмосферного азота. Какое значение имеет белок в жизни человека?
Ответ (отдел биологов): Роль очень важная и многоплановая. Вот только некоторые функции белков.
Белки - основной строительный материал клеток и организмов. Белки образуют мембраны клеток, кровеносные сосуды, нервы, пищеварительный тракт и так далее. Причем некоторые белки характерны именно для данного человека.
Белки выполняют ферментальную роль, то есть они ускоряют химические процессы клетки в сотни тысяч или миллионы раз. При этом условия реакции не изменяются, сам фермент в реакцию не вступает. Одни ферменты расщепляют белки, другие - углеводы, третьи - жиры.
Многие гормоны представляют собой белки. А гормоны управляют работой разных органов.
Белки защищают клетки и весь организм от попадания в них болезнетворных микробов и чужеродных тел. Это белки - антитела. Антитела подавляют размножение бактерий и вирусов и таким образом повышают механизм сопротивления организма. Так вырабатывается иммунитет. А от него зависит наша жизнь.
Все виды движений клетки и организма - производятся особым видом белков.
Белки служат источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот.
Белок - гемоглобин связывается с О2 и транспортирует его по всему организму.
Шестой вопрос: Ну, если белки играют такую большую роль, значит надо есть побольше белковой пищи? В каких продуктах она содержится?
Ответ (отдел биологов): Белок содержится в продуктах как растительного, так и животного происхождения. Это: овощи, фрукты, семена злаков, хлеб, бобовые растения, мясо, молоко, сыр, рыба.