Проект по химии " Хлеб химической промышленности"

Департамент образования

Администрация Кировской области

Оричевское районное управление образование

Оричевская средняя общеобразовательная  школа №2

Проект

«Хлеб химической промышленности»

                             Выполнили:

                                                    Бехтерев Константин

и Сандаков Александр

ученики 9 класса

                                                               Консультант проекта                                  

                             Володина Т. В.

Учитель химии

первая категория

Оричи 2009                           

Оглавление.

Цель проекта: изучить  и исследовать свойства  серной кислоты, узнать её значение в химической промышленности и жизни человека.

Задачи проекта:

-найти и проанализировать информационные ресурсы по теме: «Серная кислота».

-изучить строение, свойства и способы получение серной кислоты

-собрать информацию о её применении в химической промышленности

-составить презентацию.

Срок реализации проекта: сентябрь-март 2008-2009 учебного года.

Этапы реализации проекта

Обоснование актуальности проекта.

Как известно издавна серную кислоту считали «матерью» всех кислот.

Серная кислота известна с древности. Первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или железного купороса "зеленого камня", встречается в сочинениях, приписываемых арабскому алхимику Джабир ибн Хайяну.

Позже, в 9 веке персидский алхимик Ар-Рази, прокаливая смесь железного и медного купороса (FeSO4•7H2O и CuSO4•5H2O), также получил раствор серной кислоты. Этот способ усовершенствовал европейский алхимик Альберт Магнус, живший в 13 веке.

В 15 веке алхимики обнаружили, что серную кислоту можно получить, сжигая смесь серы и селитры, или из пирита - серного колчедана, более дешевого и распространенного сырья, чем сера. Таким способом получали серную кислоту на протяжении 300 лет, небольшими количествами в стеклянных ретортах. И только в середине 18 столетия, когда было установлено, что свинец не растворяется в серной кислоте, от стеклянных лабораторий перешли к большим свинцовым камерам.

В настоящее время серная кислота является «хлебом химической промышленности».

        На уроках химии мы изучили тему: «Сера и её соединения», и решили узнать больше информации о производстве серной кислоты, её свойствах и применении.

        Продуктом нашего проекта является компьютерная презентация созданная с учётом требований к презентациям, которые мы изучили в ходе работе над проектом.

На подготовительном этапе мы проанализировали информационные ресурсы по теме: «Серная кислота».

Серная кислота́ H2SO4 — сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6).  В технике серной кислотой называют её смеси как с водой, так и с серным ангидридом.

Физические свойства:

Кислота серная - прозрачная, тяжелая, маслянистая жидкость с резким запахом. На воздухе медленно испаряется. Чистая серная кислота бесцветна, наличие примесей придает технической серной кислоте желтовато-бурый оттенок. Концентрацию серной кислоты определяют по содержанию в кислоте моногидрата или по плотности. С водой смешивается во всех отношениях, очень гигроскопична. Смешение серной кислоты с водой сопровождается высоким тепловым эффектом, выделением паров и газов.

Правила разбавления

Растворение серной кислоты в воде – физико-химическое явление, которое сопровождается выделением большого количества энергии (экзотермическая реакция. Каждому нужно знать правило:

Кислоту льём в воду, а не наоборот!!!

Иначе не избежать ожогов.

Правила обращения с кислотами

- Наливать кислоту осторожно, держа пробирку над ящиком.

- В случае попадания кислоты на кожу или слизистые оболочки, тщательно     промыть под краном пораженное место.  

- Нейтрализовать раствором соды.

Разрушающе действует на органические вещества, вызывает сильное раздражение глаз, вплоть до слепоты, разъедает кожу, вызывает ее изъязвление, ожоги, оказывает коррозионное действие на многие металлы. Серная кислота - негорючая пожароопасная жидкость. Разбавленная серная кислота растворяет металлы с выделением водорода, концентрированная вызывает самовоспламенение горючих веществ.

Химические свойства:

Серная кислота — довольно сильный окислитель.

I. Серная кислота в растворе обладает общими для класса кислот химическими свойствами.

1. Серная кислота ступенчато диссоциирует в растворе с образованием иона водорода.

H2SO4 = H++HSO4-

HSO4- = H++SO42-

серная кислота изменяет окраску индикаторов:

Лакмус - краснеет

Метиловый оранжевый - розовеет

2.Окислительно-востановительные реакции характерны для взаимодействия растворов серной кислоты с металлами.

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2O

Zn+2H+=Zn2++H2

3.Реакции обмена разбавленной серной кислоты с основными и амфотерными оксидами:

MgO+H2SO4=MgSO4+H2OMgO+2H+=Mg2++H2O

4.Реакции с основаниями

H2SO4+2KOH=K2SO4+2H2O

2H++2OH=2H2O

5.Реакции с растворами солей:

H2SO4+Na2CO3=Na2SO4+CO2+ H2O

2H++ CO3-2= CO2+ H2O

Качественная реакция на серную кислоту и ее соли, с помощью которой можно распознать их среди других веществ, реакция с растворимыми солями бария:

H2SO4+BaCl2=BaSO4+2H2Cl

K2SO4+Ba(NO3)2= BaSO4+2KNO3

Суть процесса: выпадает белый осадок сульфата бария, не растворимый ни в воде, ни в кислотах:

Ba2++SO42+= BaSO4

Катион бария является реагентом на сульфат-ион.

II. Химические свойства концентрированной серной кислоты.

1. концентрированная серная кислота активно взаимодействует с водой, образуя гидраты.

H2SO4+n H2O= H2SO4* n H2O+Q

2. Окисление неметаллов

C+2H2SO4=CO2+ 3SO2+2H2O

S+2H2SO4=3SO2+2H2O

3. окисление сложных веществ:

H2SO4+2H2Br= Br2+SO2+2H2O

4. взаимодействие концентрированной серной кислоты с металлами.

8 Na+5 H2SO4= 4Na2 SO4+ H2S+4H2O

Концентрированная серная кислота реагирует и с металлами, стоящими в ряду активности после водорода, с такими, как медь, серебро, ртуть. Реакции идут при нагревании.

Cu+2H2SO4= Cu SO4+SO2+2H2O

Производство серной кислоты

Исходное сырье

Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты в СССР получали из серы, треть – из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.

В целях защиты окружающей среды во всем мире принимаются меры по использованию отходов промышленности, содержащих серу. В атмосферу с отходящими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасывается диоксида серы значительно больше, чем употребляется для производства серной кислоты. Из-за низкой концентрации SO2 в таких отходящих газах их переработка пока еще не всегда осуществима.

В то же время отходящие газы – наиболее дешевое сырье, низки оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьем является сера. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов.

В кратере вулкана Иджен на острове Ява, расположено большое горячее озеро серной кислоты, по берегам которого местные жители в нечеловеческих условиях добывают серу. В чаше из базальтовых серых стен расположено яблочно-зеленое озеро, над поверхностью которого тянутся сернистые шлейфы. Озеро находится на высоте 2 386 метров над уровнем моря. Глубина его не велика - 212 метров.
По берегам вокруг черных отверстий, напоминающих раскрытые зевы чудовищ, отливают золотом валики серы. Такие же отверстия существуют в дне озера, поэтому его температура на поверхности составляет 60 градусов, а в глубине - свыше 200 градусов по Цельсию. Озеро хранит в своей чаше 40 миллионов тонн смеси концентрированных соляной и серной кислот.
Но, самое удивительное, - в каждом литре этой смеси содержится ещё и 5 граммов растворенного алюминия. Ученые подсчитали, что всего в озере растворено свыше 200 тысяч тонн этого металла.
"Дуновение" газов с высоким содержанием сероводорода, сернистого ангидрида и соляной кислоты не позволяет подолгу находиться в этом месте. Пары вызывают острые приступы кашля, если не одевать на лицо маску.
Тем не менее, в кратере вулкана вручную добывается сера для промышленных нужд. Носильщики серы набивают по 70 - 80 кг сырья в специальные корзины, неся их в одну ходку. Дневная зарплата работника - около 5 долларов. Средняя продолжительность жизни индонезийского добытчика серы составляет 30 лет

Способы производства

Еще в XIII веке серную кислоту получали в незначительных количествах термическим разложением железного купороса FeSO4 , поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом, хотя уже давно серная кислота не производится из купороса.

В настоящее время серная кислота производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце ХIХ и начале ХХ века. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный). Первой стадией сернокислотного производства по любому методу является получение диоксида серы при сжигании сернистого сырья. После очистки диоксида серы (особенно в контактном методе) ее окисляют до триоксида серы, который соединяют с водой с получением серной кислоты. Окисление SO2 в SO3 в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

В настоящее время контактным методом получают концентрированную серную кислоту, олеум и 100% серный ангидрид.

Одновременно с увеличением объема производства серной кислоты расширяется ассортимент продукции сернокислотных заводов, организуется выпуск особо чистой кислоты, 100% SO2, высококачественного олеума и кислоты, а также увеличивается производство новых продуктов на основе SO2. Кроме олеума, концентрированной серной кислоты и аккумуляторной кислоты, отечественные заводы выпускают также более чистую контактную кислоту улучшенного качества (для производства искусственного волокна, титановых белил и др.), чистый олеум, химически чистую и реактивную серную кислоту.

Основные этапы

Ниже приведены реакции по производству серной кислоты из минерала пирита.

4FeS2 +11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

2SO2 + O2 = 2SO3

Нитрозный метод получения серной кислоты

SO2 + NO2 → SO3 + NO↑.

NO+O2=NO2

При реакции SO3 с водой выделяется огромное количество теплоты и серная кислота начинает закипать с образованием "туманов" SO3 + H2O = H2SO4 + Q Поэтому SO3 смешивается с H2SO4, образуя раствор SO3 в 91% H2SO4 - олеум

Получение серной кислоты (т.н. купоросное масло) из железного купороса - термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси

2FeSO4*7H2O→Fe2O3+SO2+H2O+O2

SO2+H2O+O2 ⇆ H2SO4

Упаковка, транспортирование, хранение

Техническую серную кислоту транспортируют в железнодорожных сернокислотных цистернах в соответствии с правилами перевозок грузов. Олеум транспортируют в специальных олеумных цистернах отправителя с утеплением или устройством для подогрева. Техническая серная кислота и олеум должны храниться в емкостях из стали или спецстали, как нефутерованных, так и футерованных кислотоупорным кирпичом или кислотоустойчивым материалом.

Внешний вид и некоторые технические характеристики

В зависимости от способа производства, концентрации кислоты, содержания примесей и назначения выпускается серная кислота следующих видов:

контактная (улучшенная и техническая);

олеум (улучшенный и технический);

башенная;

аккумуляторная;

регенерированная.

Кислота серная отпускается в тару потребителя - полиэтиленовый канистры или стеклянные бутыли. Допускается хранение продукта в емкостях с эмалированным покрытием внутренней поверхности. При работе с серной кислотой избегать прямого контакта с веществом, защищать глаза, кожу и дыхательные пути, использовать защитную одежду. Хранить отдельно от  всех веществ. Срок хранения продукта не ограничен.

. Концентрированная H2SO4 частично восстанавливается H2. Из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, с выделением H2. Окислительные свойства для разбавленной H2SO4 нехарактерны. Серная кислота дает два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры. Известны пероксомоносерная (или кислота Каро) H2SO4; и пероксодисерная H2SO4 кислоты.

Применение

Кислота серная находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Ее используют как относительно сильную и дешевую кислоту в качестве дегидратационного, окисляющего и сульфирующего агента.  

Серную кислоту применяют:

в производстве минеральных удобрений;

как электролит в свинцовых аккумуляторах;

для получения различных минеральных кислот и солей;

в производстве химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ;

в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности;

в пищевой промышленности — зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513(эмульгатор);

в промышленном органическом синтезе в реакциях:

дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров);

гидратации (этанол из этилена);

сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей);

алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др.

Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На 1 т PO4 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH2)2SO4 — 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений.

Контактная кислота и олеум применяется:

в производстве различных органических полупродуктов, красителей для взрывчатых веществ;

в производстве жирных и сульфоновых кислот, красок, искусственного шелка, нитроэфиров;

для очистки бензина, керосина, минеральных масел;

для рафинации золота и серебра;

для отделения серебра от меди и др.

Аккумуляторная серная кислота служит для наполнения свинцовых аккумуляторов после разбавления ее дистиллированной водой, а также употребляется при гальванизации, никелировании и хромировании.

Токсическое действие:

Серная кислота и олеум — чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко — ларингит, трахеит, бронхит и т. д. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м³, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м³ (максимальная разовая) и 0,1 мг/м³ (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

Экспериментальная часть работы

 На практическом этапе мы осуществили реакции, подтверждающие химические свойства H2SO4.

Цель: изучение свойств разбавленной и концентрированной серной кислоты.

Опыт №1

Обугливание древесины.

Описание опыта.

Древесина состоит из множества органических веществ, среди которых – целлюлоза (C6H7O2(OH)3)n . Концентрированная серная кислота разрушает органические молекулы, отнимая водород и кислород – составляющие воды.

Разрушение органических молекул сопровождается выделением свободного углерода.

Поэтому лучинка чернеет, обугливается.

Кислота ведет себя как обезвоживающий агент.

Если поставить открытую емкость с концентрированной серной кислотой в помещении, через некоторое время объем жидкости заметно увеличится: кислота будет притягивать влагу из воздуха.

Опыт №2

Фейерверк в жидкости.

Описаниеопыта.

В мерный цилиндр наливаем 50 мл этилового спирта. Через пипетку, которая опущена до дна цилиндра, вводим 40 мл концентрированной серной кислоты. Таким образом, в цилиндре образуется два слоя жидкости с хорошо заметной границей : верхний слой -  спирт, нижний – серная кислота В цилиндр бросаем немного мелких кристалликов перманганата калия. Дойдя до границы раздела, кристаллики начинают вспыхивать – вот нам и фейерверк. Появление вспышек связано с тем, что при соприкосновении с серной кислотой на поверхности кристалликов соли образуется марганцевый ангидрид Mn2O7 – сильнейший окислитель, который поджигает небольшое количество спирта:

2KMnO4 + H2SO4 → Mn2O7 + K2SO4 + H2O.

Mn2O7 – зеленовато-бурая жидкость, неустойчива и при соприкосновении с горючими веществами поджигает их.

Опыт №3

 Обугливание сахара

В химический стакан ёмкостью 150мл насыпьте 40г растёртого в порошок сахара и слегка смочите его 3-4мл воды. Теперь в полученную массу добавьте 20-25мл концентрированной серной кислоты и размешайте смесь стеклянной палочкой. Палочку не вынимайте. Через несколько минут смесь потемнеет, температура повысится, и из стакана начнёт "вырастать" чёрная пенообразная масса. Это пористый уголь, появление которого объясняется дегитратацией сахара серной кислотой:

C12H22O11 = 12C + 11H2O

Кроме этого происходит восстановление серной кислоты углём:

2H2SO4 + C = CO2 + 2SO2 + 2H2O

Опыт №4.

 Действие разбавленной и концентрированной серной кислоты на ткань.

Описание опыта.

В две стеклянные чашки поместили по кусочку хлопчатобумажной ткани. В одну налили разбавленной кислоты, в другую концентрированной. В результате  в чашке с разбавленной кислотой видимых изменений не произошло, там, где была концентрированная кислота ткань начала разрушаться уже через 5 минут. А через час превратилась в однородную массу.

Вывод: концентрированная серная кислота – сильнейший окислитель.

Продуктом нашего проекта является компьютерная презентация по теме: «Хлеб химической промышленности». Создавая презентацию, мы руководствовались необходимыми требованиями к их созданию. Фон для презентации выбрали одинаковый для всех слайдов. На первом слайде представлена тема, учащиеся и руководитель проекта.
 Мы стремились соблюдать единый стиль на протяжении всей презентации. Выбирали спокойные тона, использовав для фона и текста контрастные цвета.

Заголовки привлекают внимание, поэтому мы выделили  их цветом, шрифтом и выполнили в едином стиле.

На одном слайде содержится умеренное количество информации, так как люди могут одновременно воспринимать не более трех объектов. Все предложения сформулированы четко, каждое из них выражает определенную главную мысль.

Для заголовков выбрали более крупный шрифт, чем в основном тексте. Старались не использовать много разных шрифтов в одной презентации. Для показа выбрали четкие изображения с хорошим качеством.

В нашей презентации используются эффекты анимации, но мы не злоупотребляли ими, так как они не должны отвлекать внимание от содержания информации на слайде. В презентацию мы вставили видео фрагмент, это  наш первый самостоятельный опыт монтирования фильма.

На контрольно-оценочном этапе мы представим свою работу экзаменационной комиссии.

Информационные ресурсы

1. Аликберова Л.Ю. Занимательная химия .- Москва; “Аст-Пресс”, 2002г.
2. Врублевский А.И., Барковский Е.В. Химия элементов. –Минск: ООО “Юнипресс”,2002г.
3. Малышкина В. Нескучный учебник. – Санкт-Петербург: “Тригон”, 1998г.
4. Сорокин В.В., Злотников Э.Г. Тесты по химии. –М., “Просвещение”,1997г.
5. Суровцева Р.П. Задания для самостоятельной работы по химии в 9 классе.- М.,  “Просвещение”, 1995г.
6. Штремплер Г.И. Тесты, вопросы и ответы по химии 8-11кл.-М., “Просвещение”,2001г.

Приложение №1

Дополнительные сведения:

Мельчайшие капельки серной кислоты могут образовываться в средних и верхних слоях атмосферы в результате реакции водяного пара и вулканического пепла, содержащего большие количества серы. Получившаяся взвесь, из-за высокого альбедо облаков серной кислоты, затрудняет доступ солнечных лучей к поверхности планеты. Поэтому (а также в результате большого количества мельчайших частиц вулканического пепла в верхних слоях атмосферы, также затрудняющих доступ солнечному свету к планете) после особо сильных вулканических извержений могут произойти значительные изменения климата. Например, в результате извержения вулкана Ксудач (п-ов Камчатка, 1907 г.) повышенная концентрация пыли в атмосфере держалась около 2 лет, а характерные серебристые облака серной кислоты наблюдались даже в Париже. Взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году, отправивший в атмосферу 3·107 тонн серы, привёл к тому, что 1992 и 1993 года были значительно холоднее, чем 1991 и 1994 .

Облака серной кислоты, предположительно, составляют значительную часть облачного покрова Венеры.

Приложение №2

КРОВЬ ХИМИИ

Нет кислоты, которая была бы нужнее и применялась бы чаще, чем серная. Главным образом ее применяют в качестве полуфабриката; многочисленные предприятия по производству серной кислоты перерабатывают ее далее в различных процессах.

Почти половину всей производимой в ГДР серной кислоты (это составляет около полумиллиона тонн в год) потребляют две отрасли хозяйства: производство синтетических волокон и суперфосфата. Серная кислота также необходима для получения красителей, взрывчатых веществ, средств для консервирования, ядохимикатов, медикаментов и моющих средств.
Почти всем предприятиям металлургической и горнодобывающей промышленности серная кислота необходима для обогащения руд. В промышленности концентрированную серную кислоту используют для сушки газов (нам это также известно из лабораторных опытов), а из нефти с помощью серной кислоты можно удалить примеси. Наконец, серная кислота служит электролитом в свинцовых аккумуляторах.
Не случайно перспективные планы развития химической промышленности каждой страны предусматривают увеличение производства серной кислоты и числа требующихся для этого многочисленных установок.
В настоящее время серную кислоту получают на 13 предприятиях ГДР. Самыми известными среди них являются химический комбинат в Биттерфельде, предприятия по производству серной кислоты и суперфосфата в Косвиге, завод а Магдебурге, свннцовоплавильный завод во Фрайберге комбинат им. Вильгельма. Пика в Малсфельде и, наконец, предприятия по производству искусственных волокон и искусственного шелка в Шварце и Премнине. В республике работают три установки, построенные польскими специалистами. Производство серной кислоты на душу населения составляет в ГДР более 60 кг в год.