Химическая технология. Методические указания

№ 4240 М И Н И С Т Е РС Т В О Н АУ К И И В ЫС Ш Е ГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ЦЕНТР ДОВУЗОВСКОЙ ПОДГОТОВКИ И ОРГАНИЗАЦИИ ПРИЕМА

Проект «Инженерный класс в московской школе»

С.П. Лезова

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

Методические указания

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2020

УДК 546-4 Л47

Рецензент канд. хим. наук, доц. М.Н. Тер-Акопян

Лезова С.П.

Л47 Химическая технология : метод. указания / С.П. Лезова. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2020. – 29 с.

В методических указаниях охарактеризована взаимосвязь неорганических соединений и приведены некоторые основные законы, применяемые в химической технологии. Рассмотрены экспериментальные методы определения концентрации раствора, теплового эффекта реакции, молярной массы, скорости реакции. Описаны расчетные и графические способы обработки данных.

Предназначены для обучающихся московских школ, которые проходят элективные курсы в рамках городского образовательного проекта «Инженерный класс в московской школе».

УДК 546-4

С.П. Лезова, 2020

НИТУ «МИСиС», 2020

Содержание

3

Введение

Программа «Химическая технология» предназначена для активных и практико-ориентированных школьников. Погружение в на- учно-техническую сферу позволяет сформировать мировоззрение будущих молодых специалистов.

Программа позволяет применить на практике приобретенные знания в области прикладной химии, развить научный и научно-тех- нический потенциал личности обучающегося. Школьники в процессе обучения, исследований и лабораторных работ с химическими веществами и процессами приобретут новые знания и умения, которые помогут подготовиться к сдаче предпрофессионального экзамена.

4

1 Взаимосвязь неорганических веществ

Химические реакции играют огромную роль в природе и в жизни людей. Их используют для получения металлов, пластмасс, минеральных удобрений, медикаментов и многих других веществ. Между всеми классами химических веществ существует возможность взаимного превращения, которое называется генетической связью.

Генетическая связь – это связь между разными классами веществ (в нашем случае между классами неорганических соединений), основанная на их взаимопревращениях (в основе таких взаимопревращениях положен один и тот же элемент).

Рассмотрим несколько примеров генетических рядов.

1 В основе генетического ряда положен металл. Металл → основный оксид → щелочь → соль.

1)2Сa + O2 = 2CaO; 2 → СаSO4.

2)CaO + H2O = Са(ОН)2;

3)Са(ОН)2 + H2SO4 = СаSO4 + H2O.Са → СаО → Са(ОН)

Металл → основный оксид → соль → → нерастворимое основание → основный оксид.

1)2Cu + O2 = 2СuО; 3)2 → Сu(ОН)2 → СuO.

2)СuО + 2HNO3 = Cu(NO3)2 + H2O;

3)Cu(NO3)2 + 2NaOH = Сu(ОН)2 + 2NaNO3;

4)Сu(ОН)2 = СuO + H2O.Сu → СuО → Cu(NO

Металл → амфотерный оксид → соль → амфотерный гидроксид → соль.

Zn → ZnО → ZnCl2 → Zn(ОН)2 → K2ZnO2.

1) 2Zn + O2 = 2ZnО;

2) ZnО + 2HCl = ZnCl2 + H2O;

3) ZnCl2 + 2KOH = Zn(ОН)2 + 2KCl.

В зависимости от того, где идет реакция (в расплаве или в растворе), будут образовываться разные продукты реакции:

4)Zn(ОН)2 + 2KOHтв = K2ZnO2 + 2H2O (сплавление);

5)Zn(ОН)2 + 2KOHр-р = K2 [Zn(OН)4] (в растворе).

5

2 В основе генетического ряда положен неметалл. Неметалл → кислотный оксид → кислота → соль.

S → SO2 → H2SO3 → Na2SO3. 1) S + O2 = SO2;

2) SO2 + H2O= H2SO3;

3) H2SO3 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O.

Неметалл → кислотный оксид → соль → кислотный оксид.

2→ Na2CO3 → СО2.

1)C + O2 = CO2;

2)CO2 + 2NaOH = Na2CO3 +H2O;

3)Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2.C → CO

6

2 Стехиометрические законы

Стехиометрия – раздел химии, который рассматривает количественные соотношения между реагирующими веществами. Правила стехиометрии лежат в основе всех расчетов, связанных с химическими уравнениями реакций, и применяются в аналитической химии, химической технологии и металлургии.

Стехиометрия является важнейшей теоретической основой для материальных и энергетических расчетов, без которых невозможно организовать ни одно химическое производство.

Задачами стехиометрии являются расчеты количества вещества, массы или объема участников реакции.

Некоторые основные законы представлены ниже.

Закон сохранения массы. Масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Закон постоянства состава. Соотношения между массами элементов, входящих в состав данного соединения, постоянны и не зависят от способа получения этого соединения. Это означает, что, например, в молекуле воды Н2О независимо от способа получения на два атома водорода всегда будет приходиться один атом кислорода.

Закон кратных отношений. Если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящиеся в этих соединениях на одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа.

2.1 Определение выхода продукта реакции

Расчет выхода продукта реакции рассматривается на примере взаимодействия 30 мл раствора нитрата свинца (II) с концентрацией 0,1 моль/л и 7 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией

1моль/л.

1 Мерным цилиндром отмеряют необходимый объем нитрата свинца и переносят в химический стакан.

2 Другим мерным цилиндром отмеряют необходимый объем раствора щелочи и доливают в химический стакан к раствору соли. Полученный раствор перемешивают стеклянной палочкой.

3 На аналитических весах взвешивают бумажный фильтр. Затем складывают его и вкладывают в воронку. Воронку с фильтром помещают в горло конической колбы и немного смачивают фильтр дистиллированной водой.

7

4 Содержимое химического стакана профильтровывают через приготовленный фильтр (рисунок 1).

5Переносят бумажный фильтр с осадком в фарфоровую чашку и помещают ее в сушильный шкаф на 15–20 мин.

6 С помощью тигельных щипцов достают фарфоровую чашку с фильтром из сушильного шкафа и остужают ее.

7 Взвешивают на лабораторных весах высушенный фильтр с осадком.

Рисунок 1 – Фильтрование через бумажный фильтр

2.2 Расчет выхода

Запишем уравнение реакции в молекулярном, полном ионном и сокращенном ионном видах:

Pb(NO3)2 + 2NaOH = Pb(OH)2↓ + 2NaNO3 (молекулярная форма);

Pb²+ + 2NO3– + 2Na+ + 2OH– = Pb(OH)2↓ + 2Na+ + 2NO3– (полная ионная форма);

Pb²+ + 2 OH– = Pb(OH)2↓ (сокращенная ионная форма).

Теоретический расчет массы образующегося осадка из стехиометрического уравнения реакции:

8

Pb(NO3)2 + 2NaOH = Pb(OH)2↓ + 2NaNO3; n(Pb(NO3)2) = c∙ V = 0,1 ∙ 0,03 = 0,003 моль; n(NaOH) = c ∙ V = 1 ∙ 0,007 = 0,007 моль.

Следовательно, нитрат свинца взят в недостатке и последующий расчет необходимо вести по нему:

n(Pb(OН)2) = n(Pb(NO3)2) = 0,003 моль; m(Pb(OH)2)теор = n ∙ M =0,003 ∙ 241 = 0,723 г.

Расчет практической расчет массы образующегося осадка:

m(Pb(OH)2)практ = m (бумажного фильтра с осадком) –

– m (бумажного фильтра). Выход реакции:

η= mпракт 100%. mтеор

9

3 Основные газовые законы

Важную роль в стехиометрических расчетах играют газовые законы, в частности, закон Авогадро и следствия из него, уравнения Клапейрона и Клапейрона–-Менделеева.

Закон Авогадро: В равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и одинаковом давлении, содержится одинаковое число молекул.

Первое следствие из закона Авогадро: Одинаковое число мо-

лекул любых газов при одних и тех же условиях занимает одинаковый объем.

Так как моль любого газа содержит одинаковое число молекул, то один моль любого газа при заданных условиях занимает один и тот же объем. При нормальных условиях (н.у.), а именно при 273 К и 1,01 105 Па, объем одного моля газа (молярный объем) Vm = 22,4 л/моль.

n = VmV ,

где V – объем вещества, л; Vm – молярный объем, л/моль.

N= N ,

Na

где N – число молекул; Na – число Авогадро.

Второе следствие из закона Авогадро: Относительная плот-

ность одного газа по другому газу равна отношению их молярных или относительных молекулярных масс (так как М и Мr численно равны).

Уравнение объединенного газового закона:

где V – объем газа при давлении Р и температуре Т;

V0 – объем газа при нормальном давлении Р0 (101,325 кПа или 760 мм рт. ст.) и температуре Т0 (273 К).

Уравнение Менделеева–Клапейрона: pV= Mm RT ,

10