Интегрированный урок «Производство аммиака. Реакции, лежащие в основе производства азотной кислоты».
методическая разработка по химии (11 класс)

Интегрированный урок

«Производство аммиака. Реакции, лежащие в основе производства азотной кислоты».

Преподаватель – Букарь Н.В.

Оформление урока обычно: на доске записана тема: «Производство аммиака. Реакции, лежащие в основе производства азотной кислоты», в уголке – задание на дом:   19 (с. 48-50);   21 (с. 56-58);  с. 62-63 (упр. 3-5).

К уроку подготовлены проектор и экран.

       На столах учащихся – размноженные карты – схемы производства аммиака, которые представляют собой краткий конспект содержания урока.

Карта – схема производства аммиака

(Рисунок схемы производства аммиака из учебника)

I. Сырьё: азотоводородная смесь  (3VН2 + 1VN2)

II. Вспомогательный материал:

         1) катализатор (пористое железо); 2) топливо; 3) вода.

III. Основной химический процесс:

N2 + 3Н2 = 2NН3 + 92кДж

(t = 450-500 0С, р = 15*106 Па)

IV. Побочные процессы: нет

V. Технологические принципы:

          1) принцип непрерывности (циркуляционный);

          2) принцип утилизации теплоты реакции;

          3) принцип противотока;

          4) принцип использования отходов производства.

VI. Технологические процессы:

          1) тепловые (нагревание смеси N2 и Н2) (охлаждение NН3)

          2) гидродинамические (перемещение газов и жидкостей по трубам,

              смешивание газов, очистка газов);

          3) диффузионные (ректификация, т.е. разделение NН3 и N2, Н2);

          4) химические (см. пункт III, горение топлива)

VII. Основной продукт: аммиак

VIII. Побочные продукты: нет.

IX. Отходы производства:

          1) Н2 и N2, которые снова идут на синтез аммиака;

          2) продукты горения топлива.

Х. Охрана окружающей среды:

          герметичность трубопроводов, по которым аммиак поступает на склад,

          а Н2 и N2 – в колонну синтеза.

XI. Технико – экономические показатели:

          1) W(NН3) выхода – 10-20%

          2) производительность одной колонны в сутки – 1000 – 2000т.

          3) замена катализатора – через 5-6 лет.

XII. Особенности технологического процесса: азотоводородная смесь

          получают конверсией метана:

          1. СН4 + Н2О(r) = СО + 3Н2     - 211 кДж

          2. 2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2 + 70кДж

          3. СО + Н2О(r) = СО2    + Н2   + 38 кДж

Направление движения азотоводородной смеси в колонне синтеза выбирают таким образом, чтобы максимально использовать теплоту реакции и предохранять наружные стенки аппарат от нагревания.

Образующийся аммиак (10-20%) отделяют сжижением, возвращая непрореагировавшую азотоводородную смесь в колонну синтеза. Процесс непрерывный, циркуляционный.

Дополнительная информация: для синтеза аммиака применяют давление от 15 до 100 МПа.

В зависимости от применяемого давления различают 3 способа производства синтетического аммиака: низкого (10-15 МПа), среднего (25-30 МПа), высокого (50-100 МПа) давления. Наиболее распространён средний.

Учитель:

Тема сегодняшнего урока связана с удивительной историей, которую я собираюсь вам рассказать. Я назвала её так: «Как Азот уговорили делать добро – кормить землю и растения».

Вы, конечно, читали замечательную книгу английского писателя Джонатана Свифта «Путешествия Гулливера». Она полна любопытных приключений и историй, и, может быть, вы помните, как автор устами мудрого короля лапутян, высказал мысль о том, что человек, который вырастит два колоска там, где рос один, окажет людям неоценимую услугу. А ведь, действительно, это старинная, сокровенная мечта земледельца – вырастить два колоска вместо одного, значит удвоить урожай. А если много зерна, значит – много хлеба, много мяса, молока, шерсти и других необходимых человеку продуктов.

Немало времени прошло с тех пор, пока Свифт написал свою книгу. Не раз пробовали люди в одиночку и общими усилиями, повысить плодородие почвы и увеличить урожай. Иногда это удавалось, чаще – нет.

Причина в том, что земля отдавала растениям все содержащиеся в ней питательные вещества, а сама всё больше истощалась и потому из год уменьшался урожай. Испокон веков человек называл землю кормилицей своей, но ведь и кормилице нужен корм; об этом люди когда-то мало думали.

Выражение «корм для земли» люди заменили аналогичным АО смыслу: «удобрения». Прислушайтесь, как звучит оно: «у-добр-ение»! Вам ясно, что корень «добр» от слова «добро». И в самом деле, удобряя землю, человек делает её добрее, создаёт условия для лучшего роста и развития растений. И земля в ответ на такую заботу щедро расплачивается высоким урожаем. Итак, каков состав удобрений?

Учёные давно установили, что в их основе должны быть элементы азот, калий и фосфор, прежде всего необходимые растениям, так же как человеку хлеб, мясо, молоко. Но, кроме того, человек нуждается, например, в витаминах, и растениям для нормального роста и развития требуются микроудобрения – незначительные добавки цинка, марганца, меди и других элементов.

Однако наиболее ценными являются те удобрения, которые содержат азот. Посмотрим кинофрагмент, который подтвердит этот вывод».

В кинофрагменте раскрываются межпредметные связи химии с биологией. Учащиеся убеждаются в том, что природа создала уникальный механизм, позволяющий накапливать азот в семенах растений. Этот запас на начальном этапе развития растения обеспечивает ему независимость от состава почвы, но затем растение чахнет, если в почву не внесли азотное удобрение.

В кинофрагменте особое внимание учащихся  обращалось на то, что некоторые растения в процессе эволюции научились заботиться о себе сами: они с помощью клубеньковых бактерий переводят молекулярный азот воздуха в ионы аммония. Именно в виде ионов азот усваивается растениями. Обеспечение же других растений азотом взяла на себя природа. Во время грозового разряда с азотом происходят следующие превращения:

N2  →      NО →       NО2 →    НNО3, а затем азотная кислота, попадая в почву, растворяет некоторые соли, превращая их в природные минеральные удобрения.

Учитель:

«В связи с интенсивным развитием земледелия только с помощью грозовых дождей и бобовых растений невозможно обеспечить землю необходимым количеством усвояемого азота. И коль уж человек нарушил почвенный баланс, он обязан его восстановить. Но как это сделать?

Люди живут как бы на дне огромного воздушного океана, а вам известно, что воздух на 4/5 своего объёма состоит из азота – простого вещества. Казалось бы, чего проще? Бери азот из воздуха и готовь из него удобрения. Но как его взять? Ведь вы знаете, что азот при обычных условиях не активен. Недаром азот воздуха сравнивают с летящей птицей, которую трудно поймать. Перед учеными встала задача «связать крылья этой птичке», т.е. научится химически связывать азот воздуха и производить из него удобрения. И вот настал момент рассказать сказки о том, как это могло произоёти. Ведь когда-то именно через сказку мы учились познавать мир не только умом, но и сердцем. И не только познавать, но и откликаться на события и явления окружающего мира, выражать своё отношение к добру и злу, веря в то, что добро победит зло.

А теперь мы с вами отправимся в царство – «химическое государство», где поближе познакомимся с Азотом».

(Учитель закрепляет на доске бумажную куклу, символизирующую Азот – злого, надменного юношу. Вообще, вся сказка сопровождается появлением на доске кукол, создающих образы принцессы, волшебницы Химии, красавицы Воды, мудрого старца Водорода и добродушного, трудолюбивого Аммиака)

Учитель:

«Вы, наверное, догадались, что Азот ведёт довольно замкнутый образ жизни, ни с кем не желает поддерживать отношения. По-видимому, он очень высокого мнения о себе, и это не случайно, ведь у него огромные владения в атмосфере Земли, а кроме того, он возомнил себя близким родственником Благородных газов. И если мы ещё раз вспомним строение молекулы Азота, то убедимся в том, что у него есть на это основания».

Учитель вывешивает на доске заранее приготовленный транспарант «Строение молекулы азота»:

Учащиеся, комментируя записи, делают выводы о том, почему Азот вправе считать себя близким родственником Благородных газов.

Учитель:

«Такое поведение Азота не могло не отразиться на растениях: они испытывали постоянный азот голод, росли хилым и болезненными.

Вполне понятно, что жители Химического государства не могли далее мириться с таким положением, и они собрались на совет, чтобы решить, как убедить Азот накормить землю и тем самым оздоровить растительный мир.

Долго думали, гадали, советовались, обсуждали. Первыми заговорил Кислород, который был крайне взволнован состоянием здоровья своих родителей – растений: «Что с ним долго разговаривать? Давайте, подробно природной стихии, с помощью электрического разряда  приведём его в шоковое состояние, а затем мои атомы быстро приведут его в чуство – и это будет уже не Азот».

(Учитель вывешивает транспорт, на котором изображена цепочка превращения азота)

«Внимательно выслушав предложение Кислорода, в разговор вмешивался мудрый старец Водород. Он был представителем более развитых внеземных цивилизаций и обычно в спорах за ним оставалось последнее слово: «Я против насилия и зла. Они не могут породить добро. Неужели никто из вас не знает Азот с хорошей стороны?» Согласитесь, мне, как ближайшему соседу Азота, виднее, и я утверждаю, что в Азоте нет ничего хорошего» - заявил Кислород, известный своей вспыльчивостью: в его присутствии даже маленькая искра превращается в пламя. И с усмешкой добавил: «Разве только то, что он, как и многие из нас, влюблён в красавицу Воду».

«Это прекрасно! – воскликнул Водород. – Если он способен на высокое чувство – любовь, значит, от него можно ожидать и благородных поступков».

С этими словами Водород отправился к Азоту. Он представился родственником Воды, и Азот любезно принял его. Мудрость Водорода подсказывала ему, что к цели своего визита нужно подойти издалека. Он завёл разговор о красоте Земли, утопающей в зелени, и в связи с этим они вспомнили о Воде, которая много трудится для процветания жизни на Земле. Водород почувствовал заинтересованность Азота в этом разговоре и рискнул изложить цель своего визита.

«Уважаемый Азот, не считаете ли Вы,  что при желании могли бы помочь Воде сделать Землю ещё более прекрасной?»

«Я не знаю, захочет ли она со мной общаться. Скажу вам по секрету, однажды я  пытался объясниться с ней, но безуспешно».

(Звучит 1 куплет песни «Ну почему ко мне ты равнодушна?»)

«Я сочувствую тебе, - сказал Водорода, - но не печалься, утро вечера мудрее. Я постараюсь тебе помочь».

С нетерпением ждала Азот рассвета. И вот настал момент встречи.

«Чтобы обратить на себя внимание Воды, ты Азот должен прославиться добрыми делами».

«Но что такое добро? Такое понятие мне неизвестно!»

Начались жаркие споры о добры и зле, о бескорыстии и корыстолюбии. И всё-таки Водороду удалось кое в чём убедить Азот, передать ему чуточку своей мудрости; в результате Азот превращался в Аммиак, но, не уверенный в успехе дела, вновь возвращался к своим убеждениям, превращаясь в Азот. Казалось, что спору не будет конца, так как установилось динамическое равновесие:

Спорщики не заметили, как вокруг собралась толпа, которая была солидарна с Водородом. И, чтобы помочь ему одержать победу в споре, принцесса Химия направила к ним катализатор – Железо. В его присутствии споры шли всё оживлёно, но равновесие не смещалось.

Элемент Франий неожиданно вспомнил, что из таких затруднительных положений умеет находить выход его соотечественник Ле-Шателье, который предложил создать особые условия, способствующие течению процесса в желательном направлении. Научно это звучит так: если на равновесную систему подействовать извне (изменить давление, концентрацию веществ, температуру), то из двух обратимых процессов будет преобладать тот, который уменьшает внешнее воздействие.

«Теперь без людей нам не обойтись, - задумчиво произнесла Химия. – Приказываю разослать во все концы Земли гонцов и объявить, что тот, кто сумеет построить дворец и тем самым создаст необходимые условия для успешных пе5реговоров между Водородом и Азотом, окажет неоценимую услугу для всего человечества, процветания жизни на Земле».

Скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается. Долго ли, коротко ли, но пришла долгожданная весть от элемента Германия, что его соотечественник Габер близок к решению этой проблемы.

Для волшебницы Химии нет преград, и она пригласила всех заглянуть в лабораторию Ф. Габера и понаблюдать за ходом его поиска».

(Демонстрируется кинофрагмент «Производство аммиака». Учащиеся получают полное представление о том, как выбирают оптимальные условия для осуществления процесса производства аммиака).

Учитель:

Итак, наша сказка подходит к концу. Как и во всех сказках, в нашей добро тоже побеждает зло. Союз природы, науки и человека позволил решить сложнейшую производственную проблему связывания молекулярного азота воздуха. Аммиак, полученный при определённых условиях в результате взаимодействия Азота с Водородом, оказался на редкость трудолюбивым: он работал на азотно-туковом комбинате, где совместно с кислотами создавал различные минеральные удобрения. На Азот в таком виде обратила внимание красавица Вода. И вот уже долгие они живут рядом в мире и согласии, своим трудом преображая Землю».

«Чтобы закрепить материал сегодняшнего урока, рассмотрите данное производство в соответствии с известным вам планом, используя предложенную карту-схему, и ответьте на следующие вопросы:

1. Какое сырьё используется для производства аммиака?
2. Как его получают?
3. Реализация каких технологических принципов позволяет обеспечить рентабельность производства?
4. Какое промышленное применение находит получаемый аммиак?

Учащиеся подробно останавливаются на взаимодействии аммиака с кислотами. Учитель заостряет их внимание на том, что аммиак – сырьё для производства азотной кислоты. На доске вывешивается транспарант:

Учащиеся обсуждают условия смещения химического равновесия в обратимых процессах.

Учитель отмечает, что промышленный способ получения азотной кислоты из аммиака позволил выпускать высококонцентрированные азотные удобрения, и приводит данные, характеризующие повешение урожайности отдельных культур при использовании азотных удобрений:

«Получение азотных удобрений из воздуха – большая победа химической науки. Однако проблему связывания молекулярного азота нельзя считать полностью решённой, поскольку технология данного производства сложна и энергоёмка, что, в свою очередь, влияет на себестоимость продукции.

Между тем в природе эффективно трудятся «химики-невидимки», которые способны в обычных условиях превращать азот воздуха в удобрения. Я имею в виду так называемые клубеньковые бактерии – вспомните кинофрагмент, который вы видели в начале урока.

К сожалению, учёные ещё не полностью разгадали тайну искусства этих бактерий, и если им это удаётся, то представьте себе: каждое растение, имея клубеньковые бактерии, сможет своевременно позаботиться о своём азотном рационе. Опадаёт необходимость строительства крупных промышленных предприятий по производству минеральных удобрений, а следовательно, не возникнут связанные с ними экологические проблемы.

Кстати, об экологических проблемах использования азотных удобрений мне бы хотелось поговорить особо. Наверняка многие из вас в ходе урока задавали себе вопрос, стоило ли с таким трудом добиваться увеличения производства азотных удобрений, если повышенное содержание нитратов в продуктах питания (тоже) наносит непоправимый вред здоровью человека. И в связи с этими обычно начинают ругать химию. А виновата ли в этом химия? Ответ на этот вопрос вы найдёте, послушав басню И.А. Крылова «Свинья под дубом».

Учитель читает басню, и учащиеся подводятся к вывод о том, что мало иметь знания, нужно ещё уметь применять свои знания в процессе трудовой деятельности. Удобрять землю нужно с умом, химически грамотно, внося в неё азотных удобрений не более, чем требуется для нормального роста и развития растений, не навредив ни самой земле, ни человеку, пользующемуся её плодами.

В заключение, если осталось время, вниманию учащихся предлагается задача:

В реакционную колонну поступило 5,6т азота и 1,5т водорода. Вычислить, сколько т аммиака получится, если м.д. выхода от теоретически возможного составлять 0,2.

Определим молярные массы реагирующих и получающихся веществ:

М(N2) = 28 г/моль,    m (N2) = 28г

М(N2) = 2 г/моль,     m (Н2) = 3*2 = 6г

М(NН3) = 17 г/моль  m (NН3) = 17*2 = 34г

2) Находим, какое из веществ находится в избытке, какое в недостатке:

5,6т N2 – х т Н2

28г N2 –  6г Н2

х = 1,2т Н2

нужно, а дано 1,5т, Н2 – в избытке

3) расчёт ведём по азоту, который в недостатке;

Теоретический  выход NН3:  

5,6т N2 – х т NН3

28г N2 –  34г NН3

х =  6,8т

4) Определим практический выход:

 m (NН3) = 0,2*6,8т = 1,36т

Ответ: получится 1,36 т аммиака