Развитие понятий о химическом производстве в процессе изучения курса органической химии в средней школе

Курсовая работа по теме:

«Развитие понятий о химическом производстве в процессе изучения курса органической химии в средней школе»

ВВЕДЕНИЕ
Современный мир характеризуется постоянно возрастающим уровнем антропогенных и техногенных нагрузок, интенсивным преобразованием биосферы человеком, расширением размеров техносферных регионов. Большая часть населения проживает в крупных территориально-промышленных регионах с высоким уровнем концентрации промышленных производств и технических объектов. Мир техносферных опасностей определяется, прежде всего, опасностью технических объектов и промышленных технологий, опасностью окружающей природной среды, техники, используемой человеком в повседневной жизни.

В настоящее время перед человеческим сообществом стоит задача рационального и продуманного формирования техносферы, которая обеспечивала бы приемлемые для человека и природных экосистем условия существования. Эта задача исключительно сложна и предусматривает осуществление комплекса разноплановых и взаимосвязанных мероприятий, а именно:

* разумное ограничение потребностей человека;

* создание новых технических объектов и технологий, ориентированных на малоотходность и ресурсосбережение;

* минимизация воздействия техники и технологий на человека и природную среду;

* рациональное размещение производств и селитебных зон;

* создание комплексной системы обеспечения безопасности жизни в техносфере.

ГЛАВА 1. ОЗНАКОМЛЕНИЕ УЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ
Изучение в средней школе научных основ современного производства, в том числе химического производства, - одно из важнейших средств для разрешения задачи политехнической подготовки учащихся. Процесс изучения химических производств связывает теорию с практикой, конкретизирует, углубляет и закрепляет знание теоретических основ химии, помогает нашей молодёжи по окончании школы свободно выбрать профессию и стать активными участниками коммунистического строительства.

1.1 Состояние вопроса в практике школ

Тема «Химическое производство» в органической химии присутствует во всех разделах: Предельные углеводороды, Ароматические углеводороды, Аминокислоты, Непредельные углеводороды, Спирты, Альдегиды

При изучении темы «Непредельные углеводороды» ученики рассматривают производство полимеров- полиэтилена, поливинилхлорида.

полиэтилен и полипропилен. Они относятся к так называемым линейным полимером, хотя фактически имеют зигзагообразное строение. Их молекулы сильно изогнуты в различных направлениях, иногда даже свернуты в клубки.
В процессе полимеризации, например, пропилена, может образоваться полимер со стереонерегулярной структурой:
Стереонерегулярной эта структура называется потому, что радикалы -CH3 в ней размещены хаотически - по одну и другую стороны цепи. Обычно в процессе полимеризации образуются полимеры со стереонерегулярной структурой [1].
Получение. Еще недавно полиэтилен (-- CH2 -- CH2 --)n получали под высоким давлением при повышенной температуре. Реализация такого производственного процесса была весьма сложной. В последнее время полимеризацию проводят при атмосферном давлении и комнатной температуре в присутствии триэтилалюминия и хлорида титана.
Синтезированный таким путем полиэтилен плавится при более высокой температуре и обладает большей механической прочностью, так как имеет большую молекулярную массу и меньше ответвлений. Подобным образом получают полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат и некоторые другие полимеры.
Физические свойства. Полиэтилен значительно легче воды, его плотность примерно 0,92 г/см3. Он эластичен, в тонком слое бесцветный, прозрачный, на ощупь несколько жирный, напоминающий парафин. Если кусочек полиэтилена нагреть, то уже при температуре 110 °С он становится мягким и легко изменяет форму, но при очень сильном нагревании полиэтилен разлагается. При охлаждении полиэтилен затвердевает и сохраняет приданную ему форму.
Свойство тел изменить форму в нагретом состоянии и сохранять её после охлаждения называют термопастичностью.
Полипропилен отличается от полиэтилена более высокой температурой плавления (плавится при температуре 160 - 180°С) и большей механической прочностью.
Химические свойства. Полиэтилен и полипропилен обладают свойствами предельных углеводородов. При обычных условиях эти полимеры не реагируют ни с серной кислотой, ни со щелочами. (Концентрированная азотная кислота разрушает полиэтилен, особенно при нагревании.) Они не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия даже при нагревании.
Применения. Полиэтилен и полипропилен химически устойчивы, механически прочны, поэтому их широко применяют при изготовлении оборудования в различных отраслях промышленности (аппараты, трубы, сосуды и т. д.). Они обладают высокими электроизоляционными свойствами. Полиэтилен и полипропилен в тонком слое хорошо пропускают ультрафиолетовые лучи. Пленки из этих материалов используются вместо стекла в парниках и теплицах. Их применяют также для упаковки разных продуктов.
Выбор производств
Для осуществления политехнического обучения знакомить учащихся общеобразовательной школы с большим количеством химических производств нет никакой необходимости, так как политехнический принцип «не требует обучению всему, а требует обучения основам индустрии вообще.
В общеобразовательной средней школе на уроках химии должны изучаться химические производства лишь наиболее важные в народнохозяйственном отношении, вполне доступные для понимания учащимися и самые типичные, наиболее ярко отражающие использование химических теорий и закономерностей в практической жизни.
Учебной программой средней школы предусмотрено изучение только некоторых производств.
В органической химии изучается более подробно:

Переработка нефти.

Переработка природного газа

Коксование углей.

Производство уксусной кислоты.

Рассматривается также производство фенола, но очень бегло.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБРОСОВ ОТДЕЛЬНЫХ ОТРАСЛЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МЕРЫ ПРОФИЛАКТИКИ
2.1 Загрязнение окружающей среды

Химическая промышленность охватывает большое количество отраслей: производство основного органического синтеза, нефтехимические, коксохимические и другие- производства. Часть из них уже стала самостоятельными отраслями промышленности. Производство кислот, солей, щелочей, некоторых химических элементов, например хлора, связанного азота, минеральных удобрений, неорганических соединений отдельных химических элементов относит к основной химической промышленности, использующей для их получения минеральное сырье - воздух, серу, серный колчедан, поваренную соль, фосфорные руды и др.

Производство основных классов органических соединений основано на органическом синтезе. Поэтому тройное количество отраслей химической промышленности возникло на этой основе, а также на основе переработки горючих ископаемых - нефти и нефтепродуктов, каменною угля, нефтяного и природного газов, сланцев и древесины.

К таким отраслям химической промышленности относятся производства синтетических каучуков и резинотехнических изделий на их основе, пластических масс, синтетических и искусственных волокон, красителей, лаков, растворителей, взрывчатых веществ, синтетических моющих средств, лесохимических, химико-фармацевтических и многих других веществ, важных в народном хозяйстве.

Дифференциация химических производств отражается как на характере выпускаемой продукции, так и на выбросах в окружающую среду, что имеет определенное отношение к состоянию здоровья населения. Основными неблагоприятно действующими факторами, на здоровье являются химические вещества в различных фазовых состояниях в сочетании с физическими, механическими, гигиеническими и другими особенностями среды. Окружающая среда может загрязняться химическими веществами в твердом, жидком, газо- и парообразном состояниях. Воздух производственных помещений и окружающая среда могут загрязняться также аэрозолями с твердой и жидкой дисперсными фазами, различными газами, парами, в меньшей мере пылью.

2.2 Экологическое воздействие выбросов химических производств

Загрязнение окружающей среды отходами химической промышленности достигает в настоящее время больших размеров. Достижения человеческого разума, обусловившие возникновение научно-технической революции, стали одновременно причиной коренного изменения экологии человека. Естественная среда его обитания, которой на протяжении многих веков была природа, сильно изменилась. Построено много городов с асфальтированными улицами и множеством транспортных средств, загрязняющих воздух.

История показывает, что человек всегда стремился создавать материальные блага и, не задумываясь над последствием своих открытий, старался, во что бы то ни стало достичь осуществления своих замыслов. А внешняя среда тем временем подвергалась и продолжает подвергаться превращениям и загрязнениям.

Истощение месторождений полезных ископаемых и других, казалось бы на первый взгляд, неисчерпаемых ресурсов в конечном счете не может обойтись без тяжелых последствий. Созданные людьми шахты смещают вещество земной коры в десять раз больше, чем землетрясения. Отходы сырья составляют 98 %. Они-то и засоряют, загрязняют окружающую среду.

Одна треть населения планеты испытывает острый недостаток в чистой воде, из-за чего 500 млн. человек постоянно страдают кишечно-желудочными заболеваниями. Если в 70-х годах XX столетия продолжала недоедать одна треть населения земного шара, то 43 государства испытывают недостаток в обыкновенной питьевой воде.

Ежегодно в атмосферу выбрасывается 500 млн. т загрязнений. Одни только электростанции выбрасывают каждый год 100-200 млн. т золы и 60 млн. т сернистого ангидрида. Атмосфера пашей планеты содержит 2,31012 т углекислого газа. Источниками выделения его являются вулканы, горячие источники, живые организмы, горючие ископаемые. При сжигании топлива ежегодно в атмосферу поступает не менее 1 1010 т углекислого газа, создавая этим тепловой эффект и дальнейшее загрязнение атмосферы. Это в свою очередь ведет к нарушению химического равновесия в воздушной среде, изменению климата и другим глобальным последствиям. Углекислый и сернистый газы, загрязняющие атмосферу, можно использовать для получения различных полимерных материалов. В настоящее время осуществлено промышленное производство ароматических поликарбонатов. В лабораториях сейчас получают полисульфоны, материалом для которых служит сернистый газ. Реакция их синтеза, как и в случае с СО, инициируется пероксидами или с помощью жесткой радиации. Из полимеров, содержащих до 50 % SО2, изготавливают, например, плиты и пленки. Мембраны из полимеров, содержащих SО2 с некоторыми олефинами гибки, прочны, не токсичны, пропускают кислород так же хорошо, как и силоксановые, а углекислоту - в шесть раз лучше. Поэтому полисульфоновые мембраны перспективны для аппаратов искусственного кровообращения.

В мире ежегодно выбрасывается в атмосферу около 150 млн. т SО2. В воздушное пространство скандинавских стран ветром заносится из промышленных регионов большое количество SO2, в результате чего здесь выпадают «кислые» дожди и рН поверхностных вод изменяется до 3,5 [4]. Следовательно, чтобы поверхностные воды были пригодными для питья, их необходимо подщелачивать. Не удивительно, что в отдельных районах потребление питьевой воды приводит к заболеваниям сердца.

Загрязнение атмосферы углекислым газом и другими веществами увеличивает расход кислорода.

Человечество вынуждено будет прибегнуть к созданию новых технологий, при которых будет поглощаться углекислый газ и выделяться кислород.

соединения шестивалентного хрома, чем трехвалентного. Опасны яды, находящиеся в высокодисперсном пародымообразном состоянии, поскольку такое состояние облегчает проникновение их в организм через дыхательные пути. Часто токсический эффект зависит от продолжительности действия яда на организм, от его растворимости в крови, лимфе и т. д.

Индивидуальную чувствительность людей к различным веществам обусловливает состояние центральной нервной системы или всего организма. Этим объясняется то, что в промышленных условиях нередко наблюдаются пиления сенсибилизации людей к некоторым ядам, ведущие к возникновению аллергических заболеваний, бронхиальной астмы и других специфических заболеваний, что делает невозможным дальнейшую их профессиональную деятельность.

Большинство ядов оказывает отрицательное действие на организм в целом, хотя нередко наблюдается преобладающее поражение определенных, органов. Бензол, например, поражает кроветворные органы и центральную нервную систему, свинец вызывает изменения нервной системы и поражает кровь, а иногда - изменения в печени,- сосудах и т. д. Избирательность поражения отдельных органов обусловлена особенностями веществ, их физико-химическими свойствами, в частности, неодинаковой растворимостью к воде, жирах и липоидах, различиями в обмене веществ в тканях организма, а также определенным химическим сродством этих тканей к яду, что приводит к избирательному накоплению его в определенных органах.

Эти данные свидетельствуют о том, что комплексный учет фактором окружающей среды позволит намечать мероприятия по оздоровлению ее и тем самым исключать вредные для здоровья людей условия. Трудность заключается в том, что комбинированное действие этих факторов еще недостаточно изучено. В то же время опыт проведения природоохранных мероприятий в ряде промышленных центров в соответствии с современными гигиеническими требованиями показывает, что в этих районах наблюдается уменьшение общей заболеваемости, в том числе хроническими болезнями.

Химическая промышленность столь многогранна, что полная характеристика ее чрезвычайно затруднительна, и поэтому мы остановимся лишь на некоторых производствах, заслуживающих с точки зрения загрязнения окружающей среды особого внимания. Обзор особенностей основного органического синтеза ограничивается рассмотрением основных аспектов переработки нефти, каменного угля, древесины, получения и применения каучука, капролактама, химических волокон и пластических масс, производства пестицидов, поверхностно-активных веществ. В разделе кратко рассмотрены особенности загрязнения окружающей среды травильными и гальваническими производствами. Перечень производств охватывает основные вещества неорганической и органической природы, значение которых и объем выпускаемой ими продукции для нужд народного хозяйства очевидны. Ознакомление с ними показывает, что многое делается сегодня для того, чтобы новые материалы, новые вещества выпускались при помощи технологий, дающих минимальное количество отходов и позволяющих сохранить в чистоте окружающую нас природу.

ГЛАВА 3. ОЗНАКОМЛЕНИЕ УЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

3.1 Переработка нефти

В процессе изучения этого производства нужно:

а) ознакомить учащихся с перегонкой и крекингом нефти;

б) вскрыть основные научные принципы промышленной переработки нефти;

в) показать успехи нефтяной промышленности.

Учитель сначала знакомит учащихся с нефтью -- объясняет:

а) народнохозяйственное значение нефти; б) важнейшие ее месторождения; в) способы добывания; г) неуклонный рост нефтедобычи в нашей стране; д) состав; е) физические свойства.

Большое значение при этом имеет демонстрация нефти и нефтепродуктов, а также (при наличии соответствующих условий) демонстрация опытов, характеризующих сравнительно растворимость и горючесть нефтепродуктов, бензин и керосин как растворители и др.

Только после этого следует познакомить учащихся с переработкой нефти - перегонкой и крекингом.

I. Перегонка нефти. Об основном принципе перегонки нефти и промышленности учащиеся получают представление на лабораторном опыте. Учитель демонстрирует перегонку нефти с перегретым паром (рис. 1).

Рис. 1 - Перегонка нефти в лабораторных условиях

В колбе А нагревают воду - получает пар, а в колбе Б - одновременно нагревает нефть (при отсутствии нефти нагревает заранее приготовленную смесь мазута или машинного масла, керосина и бензина). Собранную в приемнике (вместе с водой) смесь углеводородов разделяет с помощью делительной воронки.

О перегонке нефти в промышленности учитель в лекционной фирме сообщает учащимся следующее.

Перегонка нефти в промышленности происходит в специальной установке (рис. 3). Этот процесс основан на различных температурах кипения находящихся в нефти углеводородов. Процесс начинается в трубчатой печи, названной так потому, что внутри её находится стальной, очень большой длины, изогнутый трубопровод. Отапливается печь мазутом. Непрерывно перекачиваемая через трубопровод нефть нагревается, примерно до 400 С, и поступает в ректификационную колонну. Эта колонна имеет большое количество горизонтальных перегородок, так называемых тарелок с отверстиями. Нефтепродукты с низкой температурой кипения через отверстия тарелок поднимаются в верхнюю часть колонны, постепенно охлаждаются и в жидком состоянии задерживаются на той или иной тарелке. Нефтепродукты же с более высокой температурой кипения задерживаются на тарелках уже в нижней части колонны. Через отверстия тарелок летучие нефтепродукты поднимаются вверх, а жидкие стекают вниз (рис. 2).

Рис. 2 - Перегонка нефти в промышленности: 1 - трубчатая печь для нагревания нефти; 2 - ректификационная колонна

Более полному отделению летучих нефтепродуктов от жидкости содействует подаваемый снизу перегретый пар, который идёт навстречу стекаемой жидкости.

Так последовательно, в направлении снизу вверх, при различной температуре из нефти выделяются: мазут, соляровое масло, керосин, лигроин и бензин. Пары бензина в холодильнике охлаждаются и конденсируются. Некоторая часть бензина возвращается в колонну для орошения и охлаждения поднимающихся вверх летучих нефтепродуктов.

Полученные нефтепродукты по особым трубам из ректификационной колонны выводятся и снова подвергаются перегонке. Путём последующей перегонки из мазута выделяют различные смазочные масла (веретённое, машинное, цилиндровое и др.), а также вазелин, парафин и другие ценные нефтепродукты. После окончательной фракционной перегонки нефти остается нелетучий продукт - гудрон.

В основе фракционной перегонки нефти лежат общие технологические принципы: непрерывность процесса, поток и противоток и циркуляция продуктов переработки. Здесь же имеет место и непрерывная циркуляция тепла: тепло получившихся продуктов перегонки используется для предварительного подогрева нефти, а тепло дымовых газов - для некоторого подогрева воздуха, необходимого для сжигания в печи мазута.

Для проверки и закрепления изложенного материала учитель предлагает учащимся вопросы:

На каком свойстве нефти основана её фракционная перегонка?

Из каких аппаратов состоит нефтеперегонная установка?

Как в ректификационной колонне получаются важнейшие нефтепродукты?

Какие общие технологические принципы лежат в основе фракционной перегонки нефти?

2. Крекинг нефти. Химический способ переработки нефти - крекинг-процесс, при наличии соответствующих условий в упрощенной форме на уроке или на вне-классных занятиях, можно показать учащимся. Учитель сначала уясняет учащимся сущность крекинга нефти. Сообщает им, что если нефть нагревать сильнее, чем при фракционной перегонке, то находящиеся в пей углеводороды начинают изменять свой химический состав; при этом молекулы их распадаются на более мелкие по составу молекулы -- образуется смесь жидких газообразных предельных и непредельных углеводородов с меньшим молекулярным весом, а следовательно, с более низкой температурой кипения - увеличивается выход наиболее пенного продукта - бензина. Напоминает учащимся общий состав и характерные химические свойства предельных и непредельных углеводородов. Обращает внимание учащихся на то, что образующиеся при крекинге непредельные углеводороды обнаруживают по обесцвечиванию ими бромной воды или раствора марганцевокислого калия. Крекинг нефти демонстрируется на следующем приборе (рис. 3).

Страницы: 1, 2

В соцсетях