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

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).

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:

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?

■    

■     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.

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.

1.     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.

2.     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.

3.     Многие гормоны представляют собой белки. А гормоны управляют работой разных органов.

4.     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.

5.     Все виды движений клетки и организма - производятся особым видом белков.

6.     Белки служат источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисляются молекулы аминокислот.

7.     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.