Ознакомление учащихся с химическими производствами в курсе средней школы

Ознакомления учащихся с химическими производствами

Содержание ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ОЗНАКОМЛЕНИЕ УЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ

1.1 Состояние вопроса в практике школ

1. 2 Отбор производств

1.3 Объём знаний о химических производствах

1.4 Методические принципы ознакомления учащихся с химическими производствами

1.5 Подготовка к изучению химических производств

1. 6 План изучения производства

ГЛАВА II. ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБРОСОВ ОТДЕЛЬНЫХ ОТРАСЛЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МЕРЫ ПРОФИЛАКТИКИ

2.1 Загрязнение окружающей среды

2.2 Экологическое воздействие выбросов химических производств

ГЛАВА III. ОЗНАКОМЛЕНИЕ УЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ

3.1 Производство извести как пример первоначального изучения химического производства в VIII классе

3.2 Переработка нефти

3.3 Производство чугуна и стали (в X классе)

3.4 Синтез аммиака и азотной кислоты как пример комбинированного химического производства

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.

В 1994;1995 гг. учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию была разработана программа подготовки специалистов, способных квалифицированно решать задачи, связанные с обеспечением безопасности жизнедеятельности человека в техносфере. Это — инженерная образовательная программа со значительной составляющей экономического и организационно-управленческого образования, потому что обеспечением техносферной безопасности должны заниматься, прежде всего, специалисты с инженерным образованием, так как основными объектами опасности и средствами защиты от них являются технические объекты.

Специальность «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» (330 100) включена в направление подготовки дипломированных специалистов 656 500 «Безопасность жизнедеятельности», которое введено в классификатор направлений и специальностей высшего профессионального образования в 2000 г. при разработке новых государственных образовательных стандартов (ГОС) [1, 2].

Основная деятельность специалиста, подготовленного по образовательной программе специальности «Безопасность жизнедеятельности в техносфере», связана с разработкой комплекса мероприятий и взаимной увязкой отдельных компонентов этого комплекса для обеспечения безопасности жизни н деятельности человека в техносферном регионе, территориально-промышленном комплексе или промышленном предприятии участием в разработке и реализации комплексных программ обеспечения техносферной безопасности, технико-экономического обоснования инженерных и организационных мероприятий.

Глава I. 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

В осуществлении политехнического обучения учителя химии уже добились некоторых положительных результатов. Многие учителя на уроках химии систематически обращают внимание на применение химии в практической жизни, знакомят учащихся с важнейшими химическими производствами, проводят экскурсии на местные производства, используют технологические схемы, таблицы, модели, диапозитивы, кинофильмы и другие наглядные пособия. К изготовлению производственных схем, таблиц, моделей и других пособий, необходимых для раскрытия самой сущности химических производств, они привлекают учащихся — используют для этого не только уроки, но и внеклассные, кружковые занятия.

Некоторые учителя чрезмерно увлекаются и знакомят учащихся с технологией чуть ли не всех производств, о которых упоминается в курсе химии средней школы, проводят очень много экскурсий на местные производства, и в то же время от конкретного производственного материала недостаточно подводят учащихся к теоретическим обобщениям, к уяснению общих научных основ современных химических производств.

Имеются и такие учителя, которые совершенно недостаточно внимания уделяют ознакомлению учащихся с химическими производствами, которые строго придерживаются материала учебника, сообщают ученикам мало производственных сведений и вовсе не касаются тех производств, которые в учебнике не описаны.

В процессе ознакомления учащихся перед учителями химии встает целый ряд вопросов: отбор химических производств, объём знаний о химических производствах, методические принципы ознакомления учащихся с химическими производствами, подготовка к изучению производств, план изучения производств и др. (1).

1.2 Отбор 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.

VIII класс. 1. Очистка воды.

2. Производство извести.

IX класс. 1. Синтетическое получение соляной кислоты.

2. Производство серной кислоты (контактным способом).

Х класс. 1. Производство аммиака и азотной кислоты.

2. Производство азотных удобрений.

3. Производство суперфосфата.

ХI класс. 1. Производство алюминия.

2. Производство чугуна и стали.

3. Переработка нефти.

4. Коксование углей.

5. Производство уксусной кислоты.

В процессе изучения этого, сравнительно небольшого количества производств, учитель химии должен вскрыть то общее, что составляет основу современной химической промышленности. В курсе химии средней школы, конечно, речь идёт не только о перечисленных производствах, но и о производственных способах получения целого ряда других веществ: кислорода, водорода, хлора, металлов (кальция, натрия и др.), углеводородов, (этилена, ацетилена и др.), сахара, синтетического каучука, пластмасс, цемента и др. С промышленными способами получения этих веществ учащиеся тоже знакомятся, но знакомятся очень кратко. Обращают внимание не на технологию и другие связанные с этим вопросы, а только на самую химическую сущность производственных процессов, и лишь в некоторых случаях — на условия этих процессов. Более подробное изучение производств этих веществ выходит за пределы учебной программы, является недопустимой перегрузкой учащихся и может быть осуществлено только в процессе внеклассных занятий.

В политехнической подготовке учащихся имеют значение доступные для посещения местные химические производства, а также ближайшие к школе месторождения химического сырья. Однако следует твёрдо помнить один из важнейших принципов: Местное производственное окружение в учебных целях используется лишь в объёме требований, предусмотренных учебной программой.

Местные производства, не предусмотренные учебной программой, рассматриваются в средней школе не детально, а только как отдельные иллюстрации изучаемых по программе научных принципов, общих для современных химических производств. Экскурсии на местные производства, не предусмотренные программой, проводятся не в учебное время, а только в процессе внеклассных занятий.

Следует вообще заметить, что успех решения задачи политехнической подготовки учащихся зависит не столько от количества изученных производств, сколько от умелого отбора наиболее важных, типичных современных производств и от степени использования этих производств с точки зрения требований, предусмотренных программой общеобразовательной средней школы.

1.3 Объём знаний о химических производствах

О предусмотренных программой производствах учащиеся должны усвоить: а) продукт данного производства (его состав, свойства и применение); б) используемое в производстве сырьё (его состав, свойства и подготовка к переработке); в) химические реакции, лежащие в основе получения продукта производства; г) основные фазы производства; д) устройство и принцип действия важнейших аппаратов; е) значение данного производства в народном хозяйстве нашей страны и его связь с другими отраслями производства, а также ж) организацию труда, отражающую социалистический характер нашего советского производства.

На примере важнейших химических производств учащиеся знакомятся с научными принципами и производственными установками, общими, типичными для современных химических производств (3).

В этой связи важно учесть следующее. Как известно, каждое производство ставит своей задачей максимально повысить производительность труда: получить в определённое время наибольшее количество продукта высокого качества с наименьшей себестоимостью. В химическом производстве это достигается путём осуществления целого ряда общих научных принципов как в части технологии, так и в части организации производства.

С целью ускорения процесса всякого химического производства требуется наибольшее увеличение поверхности реагирующих веществ. Поэтому технологический процесс химического производства обычно начинается со специальной предварительной подготовки сырья: механического дробления, очистки, обогащения. Наиболее технически совершенные методы дробления твёрдого химического сырья и его обогащения, а также важнейшие методы очистки сырья (применение магнита, флотации, специальных фильтров, электроочистителей, осушителей и др.) относятся к общим научным оснонам современных химических производств.

С целью наиболее тесного соприкосновения реагирующих веществ в химических производствах, помимо измельчения этих веществ, требуется также их перемещение относительно друг друга. Здесь часто используют принцип противотока, чем достигается наибольшая равномерность течения процесса и полнота использования реагирующих веществ.

С целью наиболее полного использования исходных материалов «ряде химических производств применяется также принцип циркуляции реагирующих веществ. Как известно, вещества за время прохождения через производственную установку не всегда успевают полностью прореагировать. Не вступившие сначала в реакцию вещества затем снова возвращают в аппарат. Так, например, при синтетическом получении аммиака в контактном аппарате реагирует только часть (30−37%) смеси азота и водорода; поэтому оставшиеся газы отделяют от образовавшегося жидкого аммиака и с помощью специальных насосов опять направляются в контактный аппарат. Сущность так называемого циркуляционного метода и заключается в отделении ещё не прореагировавших веществ от полученного продукта и возвращении их опять в производство. Циркуляционный метод использования химических веществ — также один из основных принципов современного химического производства.

С целью ускорения химической реакции, а тем самым и увеличения выхода продукта, в производственных условиях создают оптимальные температуру и давление. В некоторых случаях этому же служит и применение катализатора. Химические процессы во многих производствах обратимы. В этих случаях, с целью смещения химического равновесия и направления реакции в сторону максимального выхода продукта, реагирующие вещества используют в оптимальных концентрациях.

К общим научным принципам современных химических производств, подлежащих изучению в общеобразовательной средней школе, относятся: а) увеличение поверхности реагирующих веществ, б) теплообмен, в) противоток, г) циркуляция реагирующих веществ, д) изменение скорости и направления химических реакций (использование катализатора, оптимальных температур, давления и концентрации). Все перечисленные общие принципы современных химических производств основываются на закономерностях химических процессов, изучаемых в курсе химии средней школы. Поэтому учитель на примерах отдельных химических производств должен знакомить учащихся, как с научными принципами производств, так и с лежащими в их основе теориями и химическими закономерностями. Максимальное повышение производительности современных химических производств зависит не только от управления реакцией в производственных условиях, но и от рациональной организации самого производства.

К принципам рациональной организации химических производств относятся: а) непрерывность и фазность производственного процесса, б) механизация и автоматизация, в) использование электричества, г) комбинирование производств, д) охрана труда и е) методы повышения производительности труда рабочих.

1.4 Методические принципы ознакомления учащихся с химическими производствами

Общеобразовательная средняя школа не готовит и не может готовить химиков-специалистов: лаборантов, аппаратчиков, техников и т. п., она лишь содействует тому, чтобы её выпускники были всесторонне образованными и получили возможность быстро освоить связанные с применением химии профессии, чтобы полученные химические знания и умения они могли успешно применить в практике нашего коммунистического строительства.

Производственный материал в курсе химии средней школы должен не мешать, а наоборот, содействовать нормальному процессу освоения теоретических основ химии.

Ознакомление учащихся с химическими производствами может иметь успех лишь в том случае, если оно осуществляется не в отрыве, а в самой тесной, органической связи с самим курсом химии. Чем лучше учащиеся ознакомятся с конкретными веществами и их изменениями, тем отчетливее они усвоят теоретические основы химии, тем более осмысленно будет разрешаться и задача политехнической подготовки учащихся.

Ознакомление учащихся с научными принципами производства следует проводить постепенно и последовательно. Соответствующие научные принципы нужно отмечать при изучении каждого конкретного производства. При изучении новых производств нужно' возвращаться к ранее отмечавшимся принципам, повторять, обобщать и углублять их понимание. В этом отношении особенно важно использовать изучение производства серной и азотной кислот и синтеза аммиака.

Ознакомление учащихся с химическими производствами должно строиться, прежде всего, на лабораторных опытах, раскрывающих химическую сущность этих производств.

Если, например, речь идёт о производстве извести в VII классе, то учитель показывает учащимся опыты разложения углекислого кальция прокаливанием и дальнейшим гашением полученной жжёной извести. Сущность сернокислотного производства учащиеся по настоящему осмысливают только на основе непосредственного восприятия опытов получения сернистого газа, окисления сернистого газа в серный ангидрид, получения серной кислоты растворением серного ангидрида.

Большую роль на уроках химии играют демонстрации таблиц и схем технологических процессов, моделей наиболее типичных аппаратов и установок целых производств (4), а также демонстрации диапозитивов и кинофильмов, иллюстрирующие изучаемые производства. Осмысливанию и закреплению производственного материала во многом содействуют самостоятельные лабораторные работы и практические занятия учащихся, а также решение задач, особенно экспериментальных и построенных на производственном материале.

Большое образовательно-воспитательное значение в изучении производств имеют экскурсии как на химические заводы так и на производственные выставки, в музеи, в химические цеха нехимических производств к местам природного залегания химического сырья и др. (5). Однако опыт работы многих учителей химии со всей несомненностью показывает, что экскурсии дают положительный результат лишь в том случае, если они хорошо организованы. Здесь очень важна не только подготовка к экскурсии и её проведение, но и последующий анализ всего того, что учащиеся па экскурсии видели. Чрезмерное увлечение количеством экскурсии за счёт качества их подготовки, проведения и использования получаемых на экскурсиях сведений совершенно не допустимо.

В целях политехнической подготовки учащихся можно с большим успехом использовать не только классные, но и внеклассные занятия. Можно, при наличии необходимых условий, организовать химический кружок и с членами этого кружка проводить экспериментальные работы, производственные экскурсии, чтение научно-популярной и технической литературы, а также изготовление необходимых для уроков учебных пособий: схем приборов, моделей и т. д. Можно организовать для учащихся встречи с учёными и передовиками химической промышленности, проводить обзорные лекции специалистов и демонстрировать кинофильмы — показывать учащимся исключительные успехи современной и особенно пашей советской химии, химической промышленности.

1.5 Подготовка к изучению химических производств

В процессе изучения химических производств, как и во всей учебно-воспитательной работе школы, решающую роль играет учитель. Без достаточно полного и четкого знания учителем технологии химического производства политехническая подготовка учащихся неминуемо примет абстрактный, формальный характер.

В части описания химических производств материал учебника во многих случаях, конечно, недостаточен. Учителю очень важно использовать специальные руководства по технологии химических производств, а также материал о химизации нашего народного хозяйства.

Большую помощь может оказать предварительное посещение специальных отделов музея, выставок и химических производств.

Особенно внимательно следует ознакомиться с материалами, характеризующими общие научные принципы современных химических производств (3).

Предварительно следует подготовить также весь необходимый демонстрационный материал: таблицы, схемы, модели, диаграммы и др. Приходится учитывать то обстоятельство, что производственные схемы в специальных руководствах часто очень сложны и для использования на уроках нуждаются в значительном упрощении.

Успешное изучение химических производств требует предварительной подготовки не только учителя, но и учащихся. К изучению производства вещества необходимо приступать только после того, как учащиеся усвоят: состав, свойства (физические и химические) и практическое значение этого вещества, а также химические реакции его получения и условия, при которых эти реакции протекают.

1.6 План изучения производства

План изучения химического производства, в зависимости от его характера, предварительной подготовки учащихся и других обстоятельств, может быть разнообразный. Однако теоретические соображения и опыт работы многих учителей показывают, что изучение производства целесообразно проводить примерно по следующему плану:

1. Продукт производства: повторение сведений о его составе, важнейших свойствах; способах получения и применения (беседа).

2. Химические реакции, лежащие в основе данного произведши, и условия протекания этих реакций (беседа с записью уравнений).

3. Сырьё и его подготовка к производственному процессу (коллекция природных образцов и схема важнейших аппаратов, используемых в процессе подготовки сырья к переработке).

4. Процесс производства по отдельным фазам (по схеме, моделям и т. п.), и в связи с этим: а) самые основные, наиболее типичные аппараты; б) общие принципы химического производства; в) средства интенсификации производства.

5. Успехи данной отрасли химической промышленности в нашей стране (данные народнохозяйственного плана, материал периодической печати, сообщение о передовиках производства и др.).

Глава II. 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 другиепроизводства. 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, газои 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.

Следовательно, окружающая среда представляет собой сложную систему физических, химических, биологических и социальных факторов, которые могут оказывать различное влияние при комплексном воздействии на организм человека.

В зависимости от технологического процесса В. Лейте на основе изучения характера и причин загрязнения атмосферного воздуха предприятиями химической промышленности выделил такие группы загрязнений:

1. Неполный выход продукции, обусловленный особенностями протекания реакций, исключающих использование исходных продуктов, либо в результате потерь конечного продукта;

2. Выброс в атмосферу примесей и загрязнений, содержащихся в сырье;

3. Потеря ряда веществ, используемых в производственных процессах;

4. Выделение пахучих веществ и продуктов окисления, попадающих в отходящий воздух в результате химических реакций, нагревания или сушки.

Химические вещества, загрязняющие окружающую среду, действуют на организм человека различными путями, вызывая комплекс патологических сдвигов. Этой проблеме посвящены многие работы по токсикологии, профессиональной и коммунальной гигиене, профессиональным болезням и т. д. Следует отметить, что проникновение загрязнителей окружающей среды в организм происходит, как известно, через дыхательные пути, кожу и органы пищеварения. Поступление веществ через органы дыхания является основным и наиболее опасным путем. Поверхность легочных альвеол равна 90−100 м² при среднем их растяжении, а толщина альвеолярных мембран — 0,001−0,004 мм. Это создает благоприятные условия для быстрого проникновения газов, паров и пыли в кровь, минуя печень, которая является механическим и биохимическим барьером, защищающим организм от отравления ядами. Химические вещества, загрязняющие окружающую среду и попадающие в организм человека через органы пищеварения, проникают в печень через систему воротной вены. В печени происходит их задержка, обратное выделение с желчью, а также частичная нейтрализация, что резко уменьшает отрицательное действие загрязнителей. Некоторые химические вещества в желудочном соке претерпеваю: изменения, повышающие их токсичность. Так, из ультрамариновой пыли выделяется сероводород, а из комплексных цианистых соединений — синильная кислота. Из метилового спирта в организме может образовываться муравьиным альдегид, являющийся ядом для центральной нервной системы. Токсическое действие загрязнителей, попавших в желудок, зависит от быстроты перехода содержимого желудка и кишки, где в основном происходит всасывание веществ и кровь.

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. 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.

Среди производств неорганического синтеза внимание обращается на особенности получения и применения минеральных удобрений, аммиака и продуктов на его основе, кальцинированной соды, дихромата калия, силикатов. 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 III. Ознакомление учащихся с химическими производствами

3.1 Производство извести как пример первоначального изучения химического производства в VIII классе

На специальном уроке в VIII классе учитель даёт учащимся первоначальное представление о применении химии в производстве и знакомит их с элементами техники этого производства.

Учитель начинает с характеристики продукта производства — с извести. Напоминает учащимся, что с известью они уже, знакомы, так как она широко применяется в практической жизни — в строительстве и в домашнем хозяйстве. Предлагает учащимся рассказать о том, в каком виде и для чего именно она используется. Подчёркивает, что известняк и известь — вещества разные, что известняк — это горная порода, природное сырьё для получения извести. Показывает образец известняка. Отмечает его состав, формулу и название записывает на доске. Обращает внимание учащихся на то, что известь бывает двух видов: негашёная и гашёная. Формулы и соответствующие названия их тоже записывает на доске. Образцы извести показывает. Характеризует свойства известняка, негашёной и гашёной извести и сравнивает их между собой.

Затем учитель переходит к сущности химических реакций, лежащих в основе производства извести. Сообщает учащимся, что известняк непрочный, что при прокаливании он разлагается, получаются два вещества — углекислый газ и окись кальция. Записывает на доске уравнение реакции. При наличии соответствующих условий демонстрирует опыт: небольшой, тонкий кусочек известняка (или мела) прокаливает на сильном пламени примуса, газа и т. п. Указывает, что получающаяся при прокаливании известняка окись кальция и есть негашёная известь и что её, по способу получения, ещё иначе называют «жжёная известь». В случае необходимости учитель показывает учащимся и сам процесс гашения извести. Берёт в фарфоровую чашечку кусок окиси кальция и обливает её небольшим количеством воды. Обращает внимание учащихся на то, как взятый кусок извести постепенно впитывает воду, разогревается и рассыпается, образуя гашёную известь, или так называемую «пушонку». Записывает на доске уравнение реакции.

Особо подчёркивает, что гашёная известь, хотя и плохо, но растворяется в воде и что водный раствор её называется известковой водой. Растворяет гашёную известь, получает белую мутную жидкость — так называемое «известковое молоко». Немного отстоявшееся «известковое молоко» фильтрует, получает бесцветный, совершенно прозрачный раствор — известковую воду. Замечает, что именно такую известковую воду используют для обнаружения углекислого газа, что при пропускании углекислого газа известковая вода мутнеет.

Из всего сказанного учитель делает общий вывод о том, что в основе производства извести лежит реакция разложения (при прокаливании) известняка.

Наконец, знакомит учащихся с тем, как именно эта реакция осуществляется в производстве. Показывает схему известково-обжигательной печи (рис. 1).

Рис. 1 Известково-обжигательная печь

Объясняет, как эта печь устроена; как она загружается известняком; почему известняк предварительно дробится на сравнительно небольшие куски; откуда в печь поступает горячий газ и необходимый для его сгорания воздух; как в этой печи осуществляется один из основных производственных принципов — противоток; куда из печи удаляется углекислый газ, из какой части печи и как именно выгружается полученная известь.

При этом учитель знакомит учащихся и с тем, как в дальнейшем, перед употреблением, из негашёной извести в большом количестве получают гашёную известь и для чего известь используют. Сообщает, что известь используют не только в строительстве, но и в борьбе с вредителями сельскохозяйственных растений, например «известковое молоко» — против гусениц моли (малинной и смородинной), против зимующих па плодовых деревьях вредителей (яблонной медяницы, тли и др.), «пушонку» — для уничтожения слизней на овощных культурах, для дезинфекции почвы в подпользях, а в составе так называемого «известково-серного отвара» — для (борьбы с клещиками (хлопчатника, цитрусовых, огурцов, смородины, винограда и других сельскохозяйственных культур). С целью закрепления материала учащимся предлагаются вопросы о том: в чём различие между известняком, негашёной и гашёной известью, какая реакция происходит при гашении извести; какая реакция лежит в основе производства извести; каковы устройство и принцип действия известковообжигательной печи; какие процессы происходят в известковообжигательной печи; для чего используется известь. С целью же закрепления материала учащиеся решают производственную задачу, например, такого содержания: Сколько известняка, содержащего 10% примеси, потребуется для получения 28 т негашёной извести?

Таким образом, урок изучения производства извести строится по следующему плану:

Характеристика продукта производства: а) известь негашёная и гашёная (образцы и состав); б) известь и известняк (образцы и состав); в) применение извести (в строительстве, в борьбе с болезнями и вредителями сельскохозяйственных растений).

Сущность химической реакции, лежащей в основе производства извести: а) разложение известняка — получение негашёной извести (уравнение и демонстрация самой реакции); б) взаимодействие негашёной извести с водойполучение гашёной извести (демонстрация опыта, уравнение реакции); в) «известковое молоко» и «известковая вода» (демонстрация).

Закрепление материала: а) контрольные вопросы, б) решение производственных задач. [5, 6]

3.2 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. 2).

Рис. 2 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. 4).

Рис. 3 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.

Рис. 4 Движение нефтепродуктов через тарелки ректификационной колонны

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. 5). В этом приборе три основные части: печь для нагревания крекируемого сырья — железная трубка-приёмник для жидких продуктов и приёмник для газа. В качестве крекируемого сырья используется керосин, предварительно очищенный от непредельных соединений или мазут, оставшийся после фракционной перегонки нефти. Нагревание производится с помощью газовых горелок, паяльной лампы, угольной жаровни. К получившимся жидким и газообразным продуктам приливается

К получившимся жидким и газообразным продуктам приливается бромная вода или раствор марганцевокислого калия — обнаруживаются образовавшиеся непредельные углеводороды. [6 — 8]

Рис. 5. Крекинг нефти в лабораторных условиях

3.3 Производство чугуна и стали (в X классе)

Цель этих занятий:

а) ознакомить учащихся с производством чугуна и переработкой чугуна в сталь;

б) обратить внимание на важнейшие аппараты и на самый процесс металлургического производства;

в) вскрыть научные принципы этого производства;

г) показать учащимся успехи металлургической промышленности (2).

План изучения

I. Доменный процесс.

1. Повторение: важнейшие руды железа; обогащение руд.

2. Доменная печь и принцип её действия (схема).

3. Загрузка домны и начало доменного процесса (механизация и автоматизация производства).

4. Различные температурные зоны в доменной печи.

5. Химические процессы в каждой температурной зоне.

6. Образование чугуна и шлака.

II. Переработка чугуна в сталь.

1. Повторение: а) понятие «сплав»; б) состав чугуна и стали, их важнейшие примеси.

2. Сущность переработки чугуна в сталь.

3. Бессемерование чугуна в сталь: а) химические реакции; б) условия их протекания; устройство конвертора (схема).

4. Мартеновский способ переработки чугуна в сталь: а) общая схема мартеновской печи; б) характерная особенность процесса; в) принцип рационального использования топлива; г) интенсификация процесса (кислородное дутьё).

III. Электрическая домна

1. Электропечь (рис. 6).

2. Принцип действия электропечи.

3. Роль электричества в работе электродомны.

Рис. 6 Электрическая доменная печь.

Учитель особо замечает, что в электродомну, вместе с рудой и флюсом загружают также уголь, но только уголь, необходимый для реакции восстановления железа. Уголь же, который в обычной домне поддерживает высокую температуру (играет роль топлива), в электродомне заменяется электрической энергией. [2, 6]

3.4 Синтез аммиака и азотной кислоты как пример комбинированного химического производства

В процессе изучения этого производства нужно:

а) ознакомить учащихся с сущностью синтеза аммиака и его окисления в азотную кислоту;

б) расширить уже имеющиеся у учащихся представления об условиях протекания химических реакций и способах управления ими в промышленности;

в) закрепить и углубить ранее приобретенные учащимися знания о научных принципах химических производств — дать представление о применении в химическом производстве оптимальных давлений и принципа циркуляции реагирующих веществ.

Изучение производства проводится примерно по следующему плану:

I. Синтез аммиака.

1. Азот и его свойства (повторение с записью уравнения реакции взаимодействия азота с водородом).

2. Аммиак, его получение в лаборатории, свойства и значение и народном хозяйстве (повторение с записью уравнений химических реакций и демонстрациями соответствующих опытов). Синтез аммиака в лабораторных условиях (рис. 7).

Рис 7. Синтез аммиака в лабораторных условиях

3. Синтез аммиака в промышленности: а) реакция взаимодействия азота с водородом и её обратимость, б) условия этой реакции (роль температуры, катализатора и давления), в) основные аппараты (колонна синтеза, холодильник-конденсатор, сепаратор-разделитель, компрессор и циркуляционный насос), принципы действия этих аппаратов (рис. 8).

Рис. 8 Синтез аммиака в промышленности

4. Получение исходной азотоводородной смеси: а) газогенератор, б) состав генераторного газа, в) способы удаления ненужных газов (уравнения реакций), г) конвертор, д) теплообменник, е) башни для поглощения углекислого газа и окиси углерода, ж) компрессоры, з) принцип противотока и теплообмена (рис. 9).

5. Обобщение и закрепление всех основных научных принципов синтеза аммиака в промышленности.

II. Окисление аммиака в азотную кислоту.

I. Реакции, лежащие в основе производства азотной кислоты: а) окисление аммиака (в присутствии катализатора) в окись азота (уравнение реакции); б) окисление окиси азота в двуокись азота и поглощение двуокиси азота водой (уравнение реакции).

2. Окисление аммиака в азотную кислоту в лабораторных условиях (демонстрация).

3. Получение азотной кислоты в промышленности: а) аммиачно-воздушная смесь; б) контактный аппарат; в) условия окисления; г) поглотительные башни и их действие — принцип противотока, увеличение поверхности соприкосновения газа и жидкости; поглощение двуокиси азота водой — использование давления (рис. 10). [6]

Заключение

Оптимальные температуры, теплообмен, катализаторы, дробление твердых веществ и всевозможные «насадки» — важнейшие средства ускорения химических процессов — общие научные принципы, типичные для всех современных химических производств.

Характерными условиями организации химических производств являются механизация и автоматизация: применение аппаратуры непрерывного действия, а также довольно широкое использование автоматического контроля над производственным процессом и управления этим процессом. Здесь же учитель отмечает охрану труда как одну из характерных особенностей организации производства.

В процессе последующего изучения химических производств сделанные на данном занятии обобщения ещё больше конкретизируются и углубляются.

Борисов И. Н. Об изучении химических производств, жури. «Химия в школе», 1954, № 1.

Шаповаленко С. Г, Вопросы политехнического обучения в процессе преподавания химии, журн. «Химия в школе», 1953, № 2.

Цветков Л. А., ред. Сборник «Производственные экскурсии по химии в школе, 1953.

Павлов Б. А. и др. Технология неорганических веществ. Пособие для учителей средней школы, 1954.

Вольфкович С. И. и др. Общая химическая технология, т. I, 1952.

Борисев М. И. Н., Методика преподавания химии, т. 2, 1954.

Цветков Л. А, Химические опыты при изучении каучука и нефти, М.: «Химия в школе», 1953, № 6.

Терпогосова К. А. Нефть и продукты её переработки, 1952.