https://vk.com/repetitor_korsakova

Разбор задания №26.

Наверное, это самый долгожданный разбор, так как вопросы «как это решать?!» и «что нужно знать?» волнует многих.

В данный вопрос входят следующие понятия:

• Правила работы в лаборатории. Лабораторная посуда и оборудование. Правила безопасности при работе с едкими, горючими и токсичными веществами, средствами бытовой химии.

• Научные методы исследования химических веществ и превращений. Методы разделения смесей и очистки веществ.

• Понятие о металлургии: общие способы получения металлов. Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола).

• Химическое загрязнение окружающей среды и его последствия. Природные источники углеводородов, их переработка.

• Высокомолекулярные соединения. Реакции полимеризации и поликонденсации. Полимеры. Пластмассы, волокна, каучуки.

Начнем мы с лаборатории.

Ни одна химическая лаборатория не мыслима без вытяжного шкафа (тяги), так как именно он залог Вашего здоровья. Все работы со вредными летучими веществами проводятся в тяге. Кислоты и летучие вредные вещества так же хранятся в ней.

Так как в ЕГЭ спрашивается про школьную лабораторию, то мы познакомимся с оснащением на школьном уровне.

Пробирки, я думаю Вам знакомы. Они используются для проведения химических реакций в маленьких объемах.

Мензурки необходимы для измерения объема жидкостей, нагревать в них нельзя.

Колбы бывают различные: круглодонные, конические (Эрленмейера), Бунзена, Вюрца…

В них можно нагревать и проводить реакции.

Незаменимым в лаборатории является и химический стакан, от чистоты которого напрямую зависит полученный Вами результат…

Перемешивают все вещества либо специальной палочкой, либо с помощью магнитной мешалки.

Пипетка Пастера нужна для добавления небольших количеств вещества (например, когда Вам нужно добавить 1 мл кислоты). Она очень удобная.

Чашка Петри используется для микробиологических работ, хранения веществ или испарения жидкостей.

В оронка с бумажным фильтром, используется для фильтрации (отделение осадка от раствора). Самой простой пример – это отделение песка от воды. Песок останется на фильтре, а чистая вода стечет в стакан. Часто используют вакуумную фильтрацию (она быстрее).

Делительная воронка используется для разделения двух несмешивающихся жидкостей, например, масла и воды. На фото вода подкрашена в зеленый цвет.

В школьной лаборатории пробирки нагревают с помощью спиртовки.

Чтобы потушить огонь его накрывают крышкой-колпачком (прекращается доступ кислорода). Его нельзя задувать, это может вызвать пожар, а также нельзя зажигать одну спиртовку от другой, эффект аналогичный.

Нагревают жидкость в пробирке под углом ~45°. Перед нагревом, обязательно прогреть всю(!) пробирку.

Химики чаще используют для нагрева газовые горелки или плитки.

При использовании газовой горелки применяют либо водную баню, либо песчаную.

Техника безопасности

1. В лаборатории нельзя работать одному

2. На Вас всегда должен быть надет лабораторный халат

3. Нельзя есть, пить и курить

4. Все емкости, в которых хранятся вещества, должны быть подписаны

5. При работе с огнем необходимо одеть защитные очки

6. Нельзя пробовать реактивы на вкус (даже хлорид натрия)

7. Узнавать запах веществ можно, но аккуратно, и то не всех…

Работа с едкими, токсичными, горючими веществами, а также со средствами бытовой химии

1. Если на Вас попала неорганическая кислота (серная, азотная и т.д.), просто смойте её большим количеством воды. Все нормально, ничего страшного, максимум красное пятнышко будет. Главное: никакой щелочи! А вот кофта, халат, джинсы рискуют остаться с дыркой, поэтому при попадании кислоты их надо немедленно снять.

2. Если на Вас попала щелочь, смойте большим количеством воды, при необходимости обработайте 1-2% раствором уксуса.

3. С бытовой химией надо работать в перчатках, так как это в основном кислоты, щелочи…

4. Если Вы хотите разбавить кислоту, то её нужно аккуратно по палочке прилить в холодную воду, ни в коем случае не наоборот.

5. Все горючие вещества нужно хранить в далеко от источников открытого огня. С диэтиловым эфиром работать в присутствии открытого огня запрещено!

6. С токсичными, вредными летучими веществами (бензол, сероводород, пиридин и т.д.) запрещено работать при отсутствии хорошей вентиляции.

Это была очень при очень кратенькая справка о лаборатории, но этих знаний и жизненного опыта для сдачи экзамена Вам хватит. Теперь перейдём к металлургии.

Металлургия, способы получения металлов

Металлургия (от греч. metallurgeo-добываю руду, обрабатываю металлы), область науки, техники и отрасль промышленности, включающие производство металлов из природного сырья (в частности, руд) и других металлсодержащих продуктов, получение сплавов, обработку металлов в горячем и холодном состоянии, сварку, а также нанесение покрытий из металлов.

Пирометаллургия — совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах.

Пирометаллургия — основа производства чугуна, стали, свинца, меди, цинка и др.

Карботермия (восстановители С и СО)	Металлотермия (восстановители Al, Mg, Ca и др.)	Водородотермия ( восстановитель Н2)
Получают Fe, Cu. Zn, Cd,Ge,Sn,Pb и другие металлы, которые не образуют растворимые или непрочные карбиды	Получают Mn,Cr,Ti,Mo,W и другие металлы, которые образуют карбиды при восстановлении С или СО	Получают металлы большой чистоты
FeO + C Fe +CO Fe3O4 + 4СО 3Fe + 4CO2 Fe2O3 + 3С 2Fe + 3CO Fe2O3 + 3СО 2Fe + 3CO2	Cr2O3 + 2Al Al2O3 + 2Cr 3TiО2+ 4Al 2Al2O3 + 3Ti	CuO + Н2 Cu + Н2O WO3+ Н2 W + 3Н2O

Гидрометаллургия

Гидрометаллургию применяют для получения цветных (Al, Cu, Ni, Co, Zn и др.), редких (Be, Ti, Zr, Hf, Nb, Та, Mo, W и др.), прир. радиоактивных (U, Th), искусств. радиоактивных (Np, Pu и др.), благородных (Ag, Au, Pt и платиновые металлы) металлов.

Гидрометаллургии Основана на получении металлов из растворов или расплавов солей с помощью других металлов

СuО + H2SO4 → CuSO4 + H2O; CuSO4 + Fe → FeSO4 + Сu.

Электрометаллургия Основана на восстановлении металлов электролизом растворов или расплавов их солей, оксидов или гидроксидов. (Так получают щелочные, щелочноземельные металлы+Al)

2NaCl 2Na + Cl2↑ 4KOH 4K+2H2O+O2 CaCl2 Ca + Cl2↑ Алюминий получают электролизом раствора глинозёма (Al2O3) в расплаве криолита (запомните эту фразу, может встретиться в ЕГЭ). Криолит используется как растворитель для оксида алюминия.

Теперь поговорим подробнее о производстве стали.

Производство стали основано на следующем технологическом процессе:

добыча руды - подготовка руды - выплавка чугуна - выплавка стали

Добыча и подготовка руды.

Обычно железную руду добывают карьерным методом из достаточно богатых месторождений (содержание железа >57%). Эта руда отправляет напрямую в переработку - в доменную печь. Руда с меньшим содержанием железа (так называемые бедные (более 26% Fe) и средние) предварительно проходят процесс ее обогащения. 

В случае использования руд, содержащих серу (например, пирит FeS₂) производится обжиг руды и выделение оксидов железа

4FeS₂ + 11O₂   2Fe₂O₃ + 8SO₂

Выплавка чугуна

Добытую руду загружают в доменную печь - высокую вертикальную плавильную печь, в которой происходит восстановление железа из его оксидов путем окисления углерода и угарного газа. Для этого в верхней части печи - колошнике - есть специальное устройство попеременной подачи руды и кокса (уголь, выдержанный длительное время при 700°С без доступа воздуха) и одновременного удаления горячих доменных газов. Этот слоенный пирог постепенно опускает к горну печи, где при помощи горячего воздуха (1200°С) начинается процесс восстановления железа, который включает в себя следующие химические реакции

1. сгорание угля С+О₂ = СО₂

2. образование угарного газа (основного восстановителя железа) С + СО₂ = 2СО

3. восстановление железа угарным газом Fe₂O₃ + 3СО = 2Fe + 3CO₂

Параллельно идет еще несколько реакций, которые ведут к образованию шлаков.

Расплавленное железо медленно стекает по горячему коксу в нижнюю часть горна, при этом обогащаясь углеродом и превращаясь в чугун (содержание С от 2,17 до 6,67%). Полученный чугун выливается из горна и в жидком состоянии передается на последующую переработку или литье.

Выплавка стали.

Сырьем для получения стали является чугун, полученный из доменной печи. Существуют несколько способов выплавки стали:

- мартеновский

- конверторный

- электроплавильный

Мартеновский способ. 

Мартеновский способ на данный момент практически не используется.

Основной принцип действия — вдувание раскаленной смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав. Нагревание воздуха происходит посредством продувания его через предварительно нагретый регенератор (специальная камера, в которой огнеупорным кирпичом выложены каналы). Нагрев регенератора до нужной температуры осуществляется очищенными горячими печными газами. Происходит попеременный процесс: сначала нагрев регенератора продувкой печных газов, затем продувка холодного воздуха.

Конверторный способ

Конверторный способ выплавки стали основан на продувке жидкого чугуна воздухом или кислородом. Превращение чугуна в сталь происходит благодаря окислению кислородом содержащихся в чугуне примесей (кремния, марганца, углерода и др.) и последующему удалению их из расплава. Выделяющееся в процессе окисления тепло повышает температуру расплава до необходимой для расплавления стали, то есть конвертер не требует топлива для работы.

Электроплавильный способ

Основной принцип электросталеплавильного способа производства стали – использование электроэнергии для нагрева металла. Механизм производства следующий: в результате горения нагревательного элемента, выделяется тепло, за счет преобразования электроэнергии в тепловую энергию. Важно отметить, что процесс выплавки связан с выработкой шлаков. Качество получаемой стали во многом зависит от количества и состава шлаков. Основной причиной образования шлаков, в процессе производства стали, является окисление шихты из оксидов. Благодаря шлакам, происходит связь оксидов, которые образуются в процессе окисления чугуна, а также удаление ненужных примесей. Кроме этого, шлаки являются передатчиками тепла и кислорода. Присутствие шлаков в процессе производства стали оказывает благотворное влияние на качество стали. Определенное соотношение количества шлаков выводит из стали ненужные вредоносные вещества, например, фосфор.

Производство неорганических веществ

(на этот раздел особо обратите внимание, т.к. чаще всего именно он встречается в ЕГЭ)

Производство аммиака.

Тут все просто! Достаточно запомнить одну реакцию! :)

N₂+3H₂⇄ 2NH₃+Q

Данная реакция является экзотермической, каталитической

Протекает при высокой температуре и давлении, реакцию проводят в колонне синтеза

Производственную схему можно посмотреть здесь http://alhimikov.net/elektronbuch/image_01/sintesammiak.gif

Производство азотной кислоты

Процесс производства разбавленной азотной кислоты складывается из трех стадий:

1) окисление аммиака с целью получения оксида азота (в присутствии катализатора)

4NH₃ + 5О₂ → 4NO + 6Н₂О

2) окисления оксида азота (II) до диоксида азота (реакция протекает очень легко)

2NO + О₂ → 2NO₂

3) поглощение оксидов азота водой

4NO₂ + О₂ + 2Н₂О → 4HNO₃

Производство серной кислоты.

Контактный способ.

Уравнение реакции первой стадии:

4FeS₂ + 11O₂  2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит (также в задание могут написать серный колчедан) сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое" (запомните это словосочетание!).

Уравнение реакции второй стадии: 

2SO₂ + O₂  2SO₃ + Q