Способы получения химических веществ конспект

Способы получения химических веществ конспект

Ключевые слова конспекта: Химическая технология. Химические процессы, лежащие в основе производства аммиака и метанола. Характеристика этих процессов. Общие научные принципы химического производства. Биотехнология. Нанотехнология.

Химическая технология — это наука о наиболее эффективных методах и средствах переработки сырья (природных ресурсов) для получения веществ и материалов, используемых в различных отраслях хозяйства.

Область изучения химической технологии охватывает нефтехимию, целлюлозно-бумажную и пищевую промышленность, производство стройматериалов, чёрную и цветную металлургию и многие другие отрасли.

В курсе химии средней школы вы знакомились с важнейшими химическими производствами: чугуна и стали, алюминия, серной и азотной кислот, аммиака, полимеров, метанола и др. Обобщим представления о химическом производстве на примерах получения аммиака и метанола, которые имеют много общего.

Оба производства используют в качестве сырья природный газ метан. Из него путём конверсии (превращения) получают водород:

Необходимый для производства аммиака азот получают фракционной перегонкой жидкого воздуха.

В основе синтеза аммиака лежит химическая реакция, уравнение которой вы хорошо знаете:

Нетрудно убедиться, что эта характеристика справедлива и для реакции синтеза метанола:

В производстве метанола используется цинк-хромовый катализатор ZnO / Cr₂O₃ • СгO₃.

Такими условиями являются:

• увеличение концентрации исходных веществ и уменьшение концентрации продуктов, что достигается повышением давления (при этом аммиак и метанол превращаются в жидкость);
• понижение температуры, согласно принципу Ле Шателье, так как реакции экзотермические (при этом резко уменьшается скорость реакций, поэтому их проводят при оптимальных температурах: 450—500 °С для аммиака и 370—400 °С для метанола).

Рассмотрим схему установки по производству аммиака и метанола. Реагирующие смеси тщательно очищают и подают в турбокомпрессор, где аммиак сжимают до 25—60 МПа, а метанол до 25—30 МПа, смешивают с циркуляционным газом и направляют в колонну синтеза.

Колонны синтеза имеют разную конструкцию. Рассмотрим колонну, совмещающую в одном корпусе катализаторную коробку и теплообменник.

Исходную смесь газов сначала нагревают в теплообменнике за счёт движущихся противотоком выходящих газов. Противоток — движение веществ навстречу друг другу с целью создания наилучших условий для обмена энергией.

При всех указанных условиях проведения реакции равновесный выход продуктов составляет не более 20 %, поэтому синтез проводят по принципу многократной циркуляции, т. е. непрореагировавшую смесь газов много раз возвращают в производство после отделения полученных продуктов. Благодаря замкнутой схеме промышленный синтез аммиака и метанола полностью отвечает принципу экологической целесообразности и безопасности химического производства.

Современная технология сочетает достижения естественно-научных знаний физики, химии, биологии, экологии и др.

Инновационным направлением является биотехнология, т. е. использование живых организмов или клеточных структур для производства химических веществ.

В современной биотехнологии выделяют три направления: генная (или генетическая) инженерия, клеточная инженерия, биологическая инженерия.

В настоящее время бурно развивается новое направление химической технологии — нанотехнология. Её отличие от других технологических процессов состоит в производстве веществ и материалов с уникальными свойствами путём манипулирования атомами и молекулами. Это манипулирование осуществляется различными физико–химическими методами, например, порошковой технологией, физическим и химическим осаждением плёночных покрытий и др. Особую роль в нанотехнологии играют современные приборы, например сканирующие зондовые микроскопы.

XXI век обещает стать веком нанонауки и нанотехнологий. Лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман ещё в 1959 г. утверждал, что проникновение в наномир — это бесконечный путь человечества, на котором оно практически не ограничено материалами, а следует лишь за собственным разумом.

Конспект урока по химии «Химическая технология». В учебных целях использованы цитаты из пособия «Химия. 11 класс : учеб, для общеобразоват. организаций : базовый уровень / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, С. А. Сладков. — М. : Просвещение». Выберите дальнейшее действие:

Источник

Способы получения химических веществ конспект

Ключевые слова конспекта: предмет химии, вещества и их свойства, чистые вещества и смеси, способо разделения смесей.

Химия – это наука о веществах, их свойствах, превращениях веществ и явлениях, сопровождающих эти превращения. Химия является одной из наук, изучающих природу. Вместе с биологией и физикой химия принадлежит к числу естественных наук.

Вещество — это то, из чего состоит физическое тело. Вещество характеризуется определенными физическими свойствами.

Свойства веществ — это признаки, по которым вещества отличаются друг от друга или сходны между собой, например:

Важнейшие физические свойства вещества следующие: агрегатное состояние, цвет, запах, плотность, растворимость в воде, тепло-и электропроводность, температуры плавления и кипения.

Например, всем известное вещество алюминий можно охарактеризовать так: Алюминий — металл серебристо-белого цвета, сравнительно лёгкий (р = 2,7 г/см3), плавится при температуре 600°С. Алюминий очень пластичен. По электрической проводимости уступает лишь золоту, серебру и меди. Из-за лёгкости алюминий в виде сплавов широко используют в самолёто- и ракетостроении. Его также используют для изготовления электрических проводов и предметов быта.

Чистые вещества и смеси

Чистыми называются вещества, состоящие из одинаковых молекул. Смесь состоит из молекул разных веществ.

Каждое вещество имеет прежде всего свои, характерные именно для него свойства. Они в наибольшей степени проявляются, только если вещество является практически чистым, т. е. содержит мало примесей.

В природе чистых веществ не бывает, они встречаются преимущественно в виде смесей. Во многих случаях смеси нелегко отличить от чистых веществ. Например, сахар, растворяясь в воде, образует однородную по внешнему виду смесь. Даже с помощью микроскопа нельзя обнаружить частицы веществ, входящих в эту смесь. Такие смеси называют гомогенными (однородными).

Молоко на первый взгляд тоже кажется однородным веществом. Однако, если рассмотреть каплю молока под микроскопом, можно увидеть, что в ней плавает множество мельчайших капелек жира. Если дать молоку постоять, то эти капельки соберутся в верхнем слое, образуя сливки. Подобные неоднородные смеси называют гетерогенными смесями.

Однородные смеси — это смеси, в которых даже с помощью микроскопа нельзя обнаружить частицы веществ, входящих в смесь. Неоднородные смеси — это смеси, в которых невооруженным глазом или с помощью микроскопа можно заметить частицы веществ,составляющие смесь.

Способ разделения смесей

В смеси сохраняются свойства составляющих их веществ компонентов. На основании этих свойств выбирают рациональный способ разделения смесей.

Способы разделения смесей основаны на различии свойств веществ-компонентов, их составляющих: плотности, растворимости в воде и других жидкостях-растворителях, способности плавиться и испаряться.

Способы разделения смесей: неоднородные смеси — отстаивание и фильтрование, действие магнитом; однородные смеси — перегонка, выпаривание, кристаллизация и хроматография.

Отстаивание. Прием разделения смеси твердого и жидкого вещества путем осаждения твердого на дно под действием сил тяжести.

• а) При выдерживании воды, содержащей частички глины, в емкостях глина медленно осаждается на дно, отстаивается. Применяется при очистке питьевой воды.
• б) Чтобы разделить смесь поваренной соли и речного песка, надо поместить ее в колбу и добавить воды. Соль растворится, а песок опустится на дно. Затем осторожно слить раствор, чтобы песок остался в колбе. Соль из раствора получают выпариванием воды.
• в) Для разделения смеси малорастворимых друг в друге жидкостей с различной плотностью используют делительную воронку. Это цилиндрический сосуд с краником внизу. Помещенная в эту воронку смесь бензина с водой или растительного масла с водой быстро расслаивается, причем водный слой оказывается внизу. Открывая кран, сливаем воду, а когда вода заканчивается, закрываем кран. В воронке — бензин или масло.

Фильтрование. Чтобы избавиться от нерастворимых в воде примесей, воду пропускают через фильтр. Материал фильтра — бумага, ткань, пористая керамика. Примеси остаются на фильтре, а вода очищается.

Действие магнитом. Выделение из неоднородной смеси веществ, способных к намагничиванию. К магниту притягиваются железные опилки.

Перегонка. Прием разделения однородных жидких смесей путем испарения летучих жидкостей, различающихся температурами кипения, с последующей конденсацией паров. Так из нефти, представляющей собой смесь жидких, газообразных и твердых углеводородов, получают попутные газы, бензин, керосин, дизельное топливо и другие продукты.

Выпаривание. Способ извлечения растворенного в жидком растворителе твердого или жидкого вещества. Например, упаривая воду из сладкого сиропа, получают сахар.

Кристаллизация. Избирательное извлечение одного из нескольких твердых веществ, содержащихся в растворе. Частичное упаривание воды с последующим охлаждением раствора приводит к осаждению кристаллов главного компонента. Так из морской воды выделяют поваренную соль NaCl, а другие соли, присутствующие в меньшем количестве, остаются в растворе.

Хроматография. Метод разделения смесей, основанный на различиях относительной растворимости веществ в используемом растворителе (жидкая фаза) и прочности связывания этих веществ поверхностью сорбента (твердая фаза).

Бумажная хроматография. Нанесем каплю раствора смеси двух веществ на расстоянии 2 см от края длинной полоски фильтровальной бумаги. Подвесим полоску в стеклянном цилиндре, на дне которого находится растворитель. Нижнюю часть полоски погрузим в растворитель, при этом пятно со смесью находится чуть выше. Верхняя часть полоски удерживается проволокой у отверстия цилиндра. Сверху цилиндр закроем стеклом, чтобы не испарялся растворитель. Боковые стороны полоски не касаются стенок цилиндра. Растворитель смачивает полоску, и жидкий фронт движется вверх за счет капиллярных сил. Вместе с растворителем по бумаге движутся и растворенные вещества. Если они цветные, то за движением можно наблюдать визуально. Вещество, которое лучше растворимо и менее прочно удерживается сорбентом (бумагой), поднимется выше. Когда фронт поднимется достаточно высоко и пятна разделятся, полоску вынимают и разрезают.

Колоночная хроматография — процесс, родственный рассмотренному. В качестве твердой фазы служит силикагель, помещенный в колонку. Только в этом случае смесь наносят равномерно вверху колонки, а потом добавляют растворитель. Разделенные вещества собирают внизу в разные стаканчики.

Конспект урока «Вещества и их свойства. Чистые вещества и смеси».

Источник

Химия. 11 класс

Конспект урока

Урок № 17. Принципы химического производства. Промышленное получение металлов. Производство чугуна и стали

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: урок посвящён ознакомлению с принципами химического производства, на примере промышленного получения ряда наиболее значимых веществ: серной и азотной кислот, аммиака и метанола. На уроке учащиеся познакомятся с понятием металлургии, узнают о производстве чугуна и стали.

Конверсия — процесс переработки газов с целью изменения состава исходной газовой смеси.

Металлургия – наука о промышленных способах получения металлов из руд, а также об их механической и химической обработке.

Принцип Ле Шателье — Брауна — если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия, то в системе усиливаются процессы, направленные в сторону противодействия изменениям.

Промотор — вещество, добавляемое к катализатору в небольших количествах с целью улучшения его свойств, таких, как активность, селективность или стабильность.

Руда — минералы или чёрная порода, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистых металлов технически возможно и экономически целесообразно.

Сепаратор — аппарат, который разделяет продукт синтеза на фракции с разными характеристиками (например, отделить взвеси от жидкости).

Сталь – сплав железа, содержащий 0,02-2,14% углерода, небольшие количества кремния, марганца, фосфора и серы, а также не менее 45% железа. Если в стали содержится от 0,6 до 2,14% углерода, то такую сталь называют высокоуглеродистой.

Сырьё – природные материалы, используемые в промышленности для получения различных продуктов и ещё не прошедшие промышленную переработку.

Турбокомпрессор — устройство, которое сжимает газы для увеличения давления внутри системы.

Химическая промышленность — отрасль хозяйства, которая производит продукцию на основе химической переработки сырья.

Чугун – это сплав железа с углеродом, содержащий не менее 2,14% углерода, а также кремний марганец, серу и фосфор. Как правило, чугун хрупок.

Чугун белый — сплав железа с углеродом, в котором весь углерод находится в связанном виде (Fe₃C).

Чугун серый — сплав железа с углеродом, в котором присутствует графит в виде хлопьевидных, пластинчатых или волокнистых включений.

Основная и дополнительная литература по теме урока

Основная литература: Рудзитис, Г. Е., Фельдман, Ф. Г. Химия. 10 класс. Базовый уровень; учебник/ Г. Е. Рудзитис, Ф. Г, Фельдман – М.: Просвещение, 2018. – 224 с.

1. Рябов, М.А. Сборник задач, упражнений и тесто по химии. К учебникам Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман «Химия. 10 класс» и «Химия. 11 класс»: учебное пособие / М.А. Рябов. – М.: Экзамен. – 2013. – 256 с.

2. Рудзитис, Г.Е. Химия. 10 класс : учебное пособие для общеобразовательных организаций. Углублённый уровень / Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М. : Просвещение. – 2018. – 352 с.

Открытые электронные ресурсы:

• Единое окно доступа к информационным ресурсам [Электронный ресурс]. М. 2005 – 2018. URL: http://window.edu.ru/ (дата обращения: 01.06.2018).

Теоретический материал для самостоятельного изучения

«Зелёная» химия — научное направление в химии, к которому относятся любое усовершенствования химических процессов, положительно влияющие на окружающую среду. Данное направление возникло в 90-е годы XX века. Принципы «зелёной» химии:

1. лучше предотвратить образование загрязнений, чем потом от них избавляться.
2. Синтез веществ, следует планировать так, чтобы максимальное количество используемых материалов вошло в конечный продукт.
3. Стремиться минимизировать энергетические затраты (понизить давление, понизить температуру).
4. Вещества и процессы следует выбирать так, чтобы минимизировать вероятность несчастных случаев.

Способы реализации принципов «зелёной» химии:

1. Поиск новых путей синтеза.
2. Разработка методов синтеза на основе возобновляемых реагентов.
3. Замена традиционных органических растворителей в технологических процессах (вода, биоразлагающиеся растворители, сверхкритические жидкости).

Последовательное использование принципов Зелёной химии постепенно приводит к снижению затрат на производство, потому что исчезают затраты на уничтожение, переработку побочных продуктов и использованных растворителей, так как их не образуется, а сокращение числа стадий ведет к экономии энергии. Перспективной для развития Зелёной химии является биотехнология (биоинженерия), так как ряд промышленно важных химических соединений может быть синтезирован с помощью микроорганизмов, растений, грибов, животных с высокими выходами и низкими затратами.

Для того, чтобы количественно оценить влияние химического производств на окружающую среду, профессором Р. Шелдоном были введены две основные характеристики: Е-фактор и атомная эффективность. Величина Е-фактора определяется как отношение массы всех побочных продуктов к массе целевого продукта, то есть этот фактор позволяет оценить количество отходов и степень использования сырья. Чем больше Е-фактор, тем менее «зелёной» является реакция или процесс. Например:

Объём производства, тонн/год

Тонкий химический синтез

Величина Е-фактора в нефтепереработке мала, так как в основном все фракции нефти находят дальнейшее применение, то есть на данных производствах мало отходов. Максимальное значение Е-фактора имеет процесс синтеза лекарственных препаратов, так как это очень сложные производства, с большим числом стадий, а многие лекарства – чистые изомеры, для их синтеза используется большое число химических веществ.

Атомная эффективность – показатель, который рассчитывают как отношение молярной массы целевого продукта к сумме молярных масс всех остальных продуктов. Чем ближе атомная эффективность к 100%, тем более зеленой является данная реакция.

Промышленный органический синтез — раздел органической химической технологии, который изучает различные стороны получения органических соединений: способы синтеза, методики, идентификация, аппаратура и другие.

Промышленный органический синтез подразделяется на основной (производство метанола, анилина, уксусной кислоты, полимеров) и тонкий (производство красителей, лекарственных и душистых веществ, средств защиты растений). Важнейшими промышленными источниками органических веществ являются синтез-газ, природный газ, нефть и каменный уголь. В синтезах сложных органических соединений различают исходные вещества, промежуточные продукты и готовый продукт.

Зеркальный чугун — чугун с содержанием марганца 15-30%, углерода 4,5-6,5 %. Применяется в производстве стали. В изломе имеет характерный зеркальный блеск. Производился до 70-х гг. 20 в. в доменных печах. Применялся для получения чугуна специальных видов и в качестве раскислителя при выплавке стали.

Серый чугун применяется наиболее широко в таких отраслях, как машиностроение, строительство, также применяется в сантехнике. В зависимости от содержания углерода серый чугун делится на доэвтектический (с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %), эвтектический (с содержанием углерода 4,3 %) и заэвтектический (с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 %). Также существует перлитный серый чугун: он имеет высокие прочностные свойства и применяется для изготовления втулок, цилиндров, различных нагруженных деталей двигателей и т.д. Для деталей, где не нужна такая высокая прочность, используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.

Белый чугун имеет низкие механические свойства и более хрупок, поэтому имеет ограниченное применение: из него изготавливают детали простой конфигурации, которые применяются для работы в условиях повышенного абразивного износа. Для повышения износостойкости белого чугуна, его легируют карбидообразующими элементами (Cr, Mo W, и др.), что повышает его износостойкость.

Половинчатый чугун содержит часть углерода в связанном виде (карбиды) и часть углерода в свободном состоянии. Такой вид чугуна применяется в качестве фрикционного материала, который работает в условиях сухого трения (поэтому из него производят тормозные колодки), а также для изготовления деталей, способных работать в условиях повышенной износостойкости (мукомольные, прокатные, бумагоделательные валки).

Источник