Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии

4. Диоксид серы образуется в основном при сжигании твердого топлива на тепловых электростанциях. Это бесцветный газ с резким запахом, он сильно раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Наличие диоксида серы в атмосфере -- причина кислотных дождей, поскольку под действием кислорода воздуха и воды диоксид серы превращается в серную кислоту. Однако далеко не все производства, в выбросах которых содержится диоксид серы, имеют современные сооружения для газоочистки. Чаще применяется разбавление выбросов чистым воздухом или рассеивание их в воздушной среде путем устройства дымовых труб большой высоты. Установлено, что при высоте трубы 100 м на расстоянии 2 км от предприятия содержание диоксида серы в воздухе равно 2,75 мг/м³. Во сколько раз этот показатель превышает значение предельно допустимой концентрации, равное 7,8*10^-6 моль/м³.

5. Формальдегид НСНО применяется при изготовлении древесностружечных плит, красок, искусственного волокна, лекарственных средств, оргстекла и т.п. Он обладает сильным и резким запахом и угнетающе действует на сердечнососудистую и нервную системы. Запах формальдегида чувствуется при его содержании в воздухе, равном 0,2 мг/м³, а санитарные нормы требуют, чтобы примесь формальдегида в воздухе не превышала 0,003 мг/м³. Рассчитайте молярную концентрацию формальдегида: а) при полном соответствии воздуха санитарным нормам; б) при появлении запаха формальдегида.

6. Рассчитайте, какой высоты должна быть труба, чтобы концентрация оксида серы (IV) в приземистом слое воздуха не превышала ПДК (0,5 мг/г³). Отходящий топливный газ с объемной долей оксида серы (IV) 0,05% поступает в дымовую трубу со скоростью 300 м³/ч при температуре 130?С. Температура воздуха 20?С.

7. Незаконное захоронение ртути привело к тому, что ее содержание в 1кг почвы на некотором участке лесопарковой зоны составило 0,005 моль. ПДК ртути в почве равно 21 мг/кг. Во сколько раз превышено значение ПДК ртути в почве?

8. Водный раствор 0,001 моль йода в избытке йодида калия полностью обесцветился после пропускания через него 1м³ воздуха. Рассчитайте содержание диоксида серы (мг/м³) в исследуемом воздухе и сравните полученный результат с ПДК (SO₂), равной 0,05мг/м³. Превышено ли значение ПДК диоксида серы?

9. Историки полагают, что случаи отравления соединениями свинца в Древнем Риме были обусловлены использованием свинцовых водопроводных труб. Свинец в присутствии диоксида углерода взаимодействует с водой. При этом образуется растворимый гидрокарбонат свинца:

Рb+СО₂+Н₂О=РbСО₃+Н₂^

РbСО₃+СО₂+Н₂О=Рb(НСО₃)₂

Катионы свинца не приносят вреда здоровью, если их содержание в воде не превышает 0,03 мг/л. Во сколько раз оно было превышено, если считать, что 1 литр водопроводной воды содержал 0,0000145 моль Рb²⁺?

10. При производстве серы автоклавным методом неизбежно выделяется около

3 кг сероводорода на каждую тонну получаемой серы. Сероводород -- чрезвычайно ядовитый газ, вызывающий головокружение, тошноту и рвоту, а при вдыхании в большом количестве - поражение мышцы сердца и судороги, вплоть до смертельного исхода. Какой объем сероводорода (при н. у.) необходимо поглотить в системах газоочистки при получении 125 т серы на химзаводе?

11. На нефтеперерабатывающем заводе из-за поломки произошел аварийный выброс нефтепродуктов в ближайшее озеро. Масса сброшенных продуктов составила 500 кг. Выживут ли рыбы, обитающие в озере, если известно, что примерная масса воды в озере 10000 т. Токсичная концентрация нефтепродуктов для рыб составляет 0,05 мг/л.

12. Определите ПВД фтороводорода (в г в сек), обеспечивающий концентрацию его в приземном слое атмосферы в районе суперфосфатного завода не выше ПДК 0,05 мг/м³, при высоте дымовой трубы 100 м и ее диаметре 0,7 м. Объем газового выброса равен 160, а коэффициент седиментации - 1. Средняя скорость газа на выходе из трубы - 0,4 м/с. Температура выходящего газа 40С, а атмосферы - 23С.

3.4 Производство неорганических соединений

3.4.1 Металлургия

Металлургия - это наука о промышленных способах получения металлов из природного сырья. Металлургией также называю металлургическую промышленность. Сырьем в производстве металлов является металлические руды. За исключением небольшого числа металлов находящихся в природе в виде химических соединений входящих в состав металлических руд. Основной задачей металлургической промышленности является получение металлов из руд. Для этого руду подготавливают, подвергают вторичной обработке и процессу восстановления.

Задачи, которые приводятся в этом разделе являются расчетными задачами по уравнениям химических реакций. При решении задач используют основные законы и формулы химии, а также формулы которые рассматривались в предыдущих разделах (выход продукта, интенсивность, производительность и тд.)

Одной из важнейших задач химической технологии является обогащение сырья. Для этого применяют метод флотации, который основан на различной смачиваемости водой минералов.

Выход концентрата (В_к) называется процентное отношение веса полученного концентрата к весу взятой руды.

Степень извлечения (С_и) называется процентное отношение веса извлеченного элемента в концентрате к его весу в руде.

Степенью обогащения (С_о) называется отношение процентного содержания элемента в концентрате к содержанию его в исходной руде.

В этом разделе при решение задач используют следующие понятия: выход продукта, расчет состава руды, возможность самопроизвольного протекания реакции получения металла, которые подробно описываются в других разделах.

Примеры решения задач

1. Рассчитать минимальный расход магния для удаления сурьмы из 10 т чернового свинца, в котором сурьма составляет 0,5% массы. Сурьма выделяется из сплава в составе соединения Мg₃Sb₂

Решение:

Составим первое уравнение масса магния, добавленного в черновой сплав, равна массе магния в выделившемся из сплава соединении Mg₃Sb₂. Запишем второе уравнение, полагая, что масса сурьмы, содержащейся в 10 т чернового сплава, равна массе сурьмы и образовавшемся соединении Мg₃Sb_2.

m(Mg) = m(Mg₃Sb₂)*(3*M(Mg)/M(Mg₃Sb₂)

10*0,005 = m(Mg₃Sb₂)*(2*M(Sb)/M(Mg₃Sb₂)

Или

m(Mg) = m(Mg₃Sb2)*(3*24)/316

0,05 = m(Mg₃Sb₂)*(2*122/316)

Для решения системы уравнении разделим правую и левую части первого уравнения на соответствующие части второго и обозначая (Мg) через х, получим:

x/0,05=24*3/122*2, x=0,0148

Ответ. Минимальный расход магния-- 14,8 кг.

2. На обогатительной фабрике флотации подвергается руда, содержащая 1,3% меди. При флотации 1т исходной руды получится 110,5 кг концентрата, содержащего 9,6% меди. Определите выход концентрата, степень извлечения и степень обогащения.

Решение

1.В_к=

2. Для вычисления С_и рассуждаем так

а) в 100 кг исходной руды содержится 1,3 кг меди

в 1000 кг ---------------------------------- х кг меди

х= 13 кг меди

б) в 100 кг концентрата содержится 9,6 кг меди

в 110,5 кг ---------------------------------- х кг меди

х= 10,6 кг меди.

Следовательно, степень извлечения будет равна

С_и=

3. С_о=раза.

Ответ В_к=11,05%, С_и=81,5%, С_о=7,4 раза.

Примеры решения задач

1. Имеется титановая руда, состоящая из минералов рутила, перовскита и пустой породы. Массовая доля ТiО₂ в этих минералах составляет соответственно 97% и 59%. Вычислить массовые доли названных выше минералов в руде, если известно, что содержание титана равно 27% от массы руды, а пустой породы - 38%.

2. Для легирования стали, требуется внести в расплав титан, чтобы его массовая доля составила 0,12%. Какую массу сплава ферротитана надо добавить к расплаву стали массой 500 кг, если массовые доли металлов в ферротитане составляют: титана - 30%, железа - 70%

3. Некоторая порода состоит из минералов сильвинита (KCl), каинита (MgSO₄*KCl*3H₂О) и карналлита (MgCl₂*KCl*6H₂О). Массовая доля калия в породе составляет 18%, а примесей (не содержащих калия и магния) - 12%. Вычислите возможную массу магния в 100 кг породы.

4. При обогащение 10 т медной сульфидной руды, содержащей 1,5% меди, получено 400 кг концентрата, содержащего 30% меди. Определить степень извлечения и степень концентрации.

5. При флотации 5т цинковой руды, содержащего 3% цинка, получено 340 кг концентрата, содержащего 22% цинка. Определите выход концентрата, степень извлечения и степень концентрации.

6. Восстанавливая углем соединение Fe(CrO₂)₂ (хромистый железняк), получают сплав феррохром, используемый в металлургии. Определите массовую долю хрома в этом сплаве, считая, что других компонентов, кроме железа и хрома, он не содержит.

7. Железная руда имеет состав: магнетит Fе₃О₄ (массовая доля 55%), ильменит FеТiО₃ (массовая доля 15%) и другие вещества, не содержащие железо и титан. Какую массу железа и титана можно получить из такой руды массой 300 кг?

8. Из медной руды массой 16т, содержащей халькозин Cu₂S и вещества, не содержащие медь, получили черновой металл массой 650 кг. Определите массовые доли меди и халькозина в руде, если массовая доля меди в черновом металле составляет 98,46%.

9. Для удаления висмута из черного свинца к расплавленному металлу добавляют сплав Pb - Ca, массовая доля кальция в котором составляет 0,03. Рассчитать теоретический расход сплава Pb - Ca для удаления висмута из 100 т чернового свинца, массовая доля висмута в котором равна 0,001. Висмут выделятся из сплава в составе соединения Ca₃Bi₂.

10. Медная руда содержит CuCO₃*Cu(OH)₂ и азурит 2CuCO₃*Cu(OH)₂ Какую массу меди можно получить из руды массой 5т, если массовая доля малахита 8%, азурита 3,6%. Определите массовую долю меди в руде.

3.4.2 Электрохимические производства

Электролизом называется окислительно-восстановительная реакция, протекающая при пропускании постоянного электрического тока через расплав или раствор электролита.

Сущность электролиза заключается в следующем: при пропускании электрического тока через расплав или раствор электролита положительные ионы электролита (ионы металлов или водорода) притягиваются катодом, а отрицательные ионы (кислотные остатки или гидроксильные группы) -- анодом. Приносимые к катоду от источника тока электроны присоединяются к положительным ионам электролита, восстанавливая их. Одновременно отрицательные ионы электролита отдают свои электроны аноду, от которого они двигаются к источнику тока. Теряя свои электроны, они окисляются в нейтральные атомы или группы атомов. Таким образом, у катода протекает процесс восстановления, а у анода -- процесс окисления.

А (+): nA^n- - ne^- > nA^p-

K (-): nBⁿ⁺ + ne^- > nB^p+

Оба процесса образуют единую окислительно-восстановительную реакцию. Но в отличие от обычных окислительно-восстановительных реакций электроны от восстановителя к окислителю переходят не прямо, а посредством электрического тока. Катод, приносящий электроны, является восстановителем, а анод, уносящий их,-- окислителем.

Основными показателями электрохимических производств являются выход по току, степень использования энергии. Расходный коэффициент по энергии, напряжение, приложенное к электролизеру, и др. Большинство вычислений основано на законе Фарадея, согласно которому масса вещества, выделившегося при электролизе пропорционально силе тока I, времени электролиза t и электрохимическому эквиваленту этого вещества Э_Э

Масса вещества вычисляется по формуле

(1.3.1)

где, I - сила тока, F - постоянная Фарадея (96500 Кл)

(г-экв) (1.3.2)

Mr - относительная молекулярная масса вещества,

n - заряд иона (абсолютное значение) в виде которого вещество находится в растворе или в расплаве (т.е. количество отданных или принятых электронов).

Выход по току определяется отношением массы вещества, выделившегося при электролизе, к массе вещества, которое теоретически должно выделится согласно закону Фарадея, и выражается в процентах:

(1.3.3)

Масса m_теор находится по формуле

(1.3.4)

Выход по энергии определяется по уравнению

(1.3.5)

где, Е_теор и Е_пр - теоретическое и практическое напряжение разложения при электролизе соответственно, В; з - выход по энергии,%.

Выход по энергии может быть вычислен и по количеству затраченной энергии:

(1.3.6)

где w_теор и w_пр - количество энергии, теоретически необходимое и практически затраченное на получение единицы продукта.

(1.3.7)

где 1000 - коэффициент перевода Вт*ч в кВт*ч;

1*10^-6 - число, используемое для перевода граммов в тонны.

Теоретический расход электроэнергии находится по отношению

(1.3.8)

где ц_разл - напряжение разложения.

Примеры решения задач

1. Какие процессы происходят при электролизе расплава гидроокиси натрия?

Решение:

В расплаве едкого натра содержатся ионы Nа⁺ и ОН. Окисляющиеся у анода ионы ОН в следующей стадии разлагаются с образованием воды и кислорода. Процесс можно изобразить следующим образом:

К(-): 2Na⁺ + 2е^- = 2Na;

А(+): 2ОН - 2e^- = Н₂О + О₂

Два атома кислорода, соединяясь друг с другом, образуют молекулу кислорода О₂. Таким образом, суммарное уравнение

4NаОН = 4Na + 2Н₂О + О₂

При электролизе расплавов солей кислородных кислот окисляющиеся ионы кислотных остатков тут же разлагаются на кислород и соответствующие оксиды.

Своеобразно протекает электролиз в водном растворе. Дело в том, что сама вода -- электролит, хотя и очень слабый. Таким образом, в водном растворе фактически содержатся два электролита -- растворитель и растворенное вещество и соответственно по два вида как положительных, так и отрицательных ионов. Какие из них будут разряжаться, зависит от ряда условий. Как правило, можно руководствоваться следующим. Если положительные ионы электролита являются ионами очень активных металлов, как например Na⁺ или К^-, то при электролизе разряжаются не ионы этих металлов, а ионы водорода из воды с выделением свободного водорода и освобождением гидроксильных ионов, что может быть выражено следующим электронно-ионным уравнением:

2H+OH+ 2е^- = Н₂^ + 2ОН

Если отрицательными ионами электролита являются кислотные остатки кислородных кислот, то при электролизе разряжаются не кислотные остатки этих кислот, а ионы ОН из воды с выделением кислорода, что можно выразить уравнением:

4Н₂О -- 4е^- = 4Н⁺ + 4ОН

4ОН^- 2Н₂О+О₂

Складывая оба уравнения, получаем:

2Н₂О -- 4е^- = 4H⁺ + O₂

2. Определить выход по току (в%), если в течение 24 ч в электролизере раствора поваренной соли при силе тока 15500А было получено 4200 л электролитической щелочи с концентрацией NaOH 125 кг/м^3.

Решение:

По уравнению (1.3.4) масса гидроксида натрия теоретически должна была составить

практически было получено

Следовательно, выход по току по формуле (1.3.3) будет равен

Ответ: выход по току 94,6%.

3. Определите фактический расход электроэнергии (в киловатт-часах) на получение хлора массой 1 т и выход по энергии (в%), если среднее напряжение на электролизере 3,35В, выход по току 96%, а электрохимический эквивалент хлора равен 1,323 г/А*ч.

Решение:

Использовав формулу (1.3.7), определим фактический расход энергии

Если принять выход по току за 100%, то при теоретическом напряжении разложения NaCl, равном 2,17В, теоретический расход энергии на 1т хлора составит

В этом случае выход по энергии

Ответ: выход по энергии 62,2%; 2637 кВ/ч

Задачи для самостоятельного решения

1. Один из способов промышленного получения кальция - электролиз расплавленного хлорида кальция. Какая масса металла будет получена, если известно, что в результате электролиза выделился хлор объемом 896 л (н.у.)?

2. При электролизе раствора хлорида натрия в электролизе, работавшем в течении 24ч при силе тока 30000 А, было получено 8,5 м³ электролитической щелочи с концентрацией NaOH 120 кг/м^3. рассчитать выход по току (для щелочи)

3. Определить силу тока, необходимые для выработки 100% -ного гидроксида натрия массой 1720 кг в сутки в электролизере с железным катом при его непрерывной работе, если выход по току составляет 96%

4. Вычислить массу хлора, вырабатываемого за год заводом, на котором установлено 5 серий по 150 электролизеров с железными катодами при непрерывной работе в течении 350 дней, силе тока 34000 А и выходе по току 95%. Определить мощность генератора переменного тока электростанции, обеспечивающий потребности завода в электрической энергии при напряжении донной серии 550 В, если КПД выпрямителя тока составляет 95%.

5. Вычислить теоретический и практический расход электроэнергии на 1т 100% NаОН для электролиза раствора хлорида натрия с ртутным катодом. Теоретическое напряжение разложения равно 3,168 В. Определить выход по энергии, если практическое напряжение разложения 4,4 В, а выход по току 92,5%.

6. Какие вещества, и в каком количестве выделяются на угольных электродах, если состав раствора 0,1 моль HgCl₂ и 0,2 моль CuCl₂ и через него пропускается ток силой 10 А в течение 1 ч?

7. При прохождении электрического тока через разбавленный раствор серной кислоты в течении 10 мин выделилось 100 мл водорода при 18С и давлении

755 мм рт. ст. Вычислите силу тока.

8. При электролитическом получении магния в качестве электролита может служит расплавленных хлорид магния. Вычислите выход по току, если в ванне, работающем при силе тока 40000 А, в течении 5 ч, выделилось 72,6 кг магния.

9. Определить количество электричества, необходимое для выделения 1 м³ водорода и 0,5 м³ кислорода, получаемое при электролизе воды. Теоретическое напряжение воды равно 1,23 В, а фактическое превышает его в 1,5 - 2 раза. Рассчитать фактический расход электрической энергии.

10. При электролизе раствора содержащего 2,895 г смеси FeCl₂ и FeCl₃, на катоде выделилось 1,12 г металла. Вычислите массовую долю каждого из компонентов исходной смеси, если электролиз проводили до полного осаждения железа.

3.5 Производство органических соединений

Основной или тяжелый органический синтез - это производство в больших количествах важнейших органических веществ преимущественно жирного ряда и простых по строению: спиртов (метилового, этилового), галогенопроизводных (винилхлорид), альдегидов и кетонов (формальдегид, ацетон), карбоновых кислот (муравьиная, уксусная, ВЖК), алкенов, диеновых УГВ. На базе продуктов тяжелого органического синтеза получают СМС, лекарственные препараты, ядохимикаты, пластмассы, волокна.

Как правило, это расчетные задачи по уравнениям химических реакций. При решении таких задач применяются основные законы и формулы для нахождения выхода продукта, массы, количества и т.д.

При решении задач используются как структурные формулы, так и брутто-формулы.

Примеры решения задач

1. При взаимодействии салициловой кислоты с уксусным ангидридом получают ацетилсалициловую кислоту, известную в медицине под названием «аспирин»:

Рассчитайте массу аспирина, который можно получить из 690 кг салициловой кислоты, если массовая доля выхода продукта составляет 75% от теоретически возможного.

Решение:

В уравнении реакции можно написать как структурные формулы, так и брутто-формулы.

С₇Н₁₂О₃ + С₄Н₆О₃ > С₈Н₁₄О₄ + СН₃СООН

салициловая кислота уксусный ангидрид аспирин уксусная кислот

Находим количество салициловой кислоты.

н(С₇Н₁₂О₃)=

По уравнению н(С₇Н₁₂О₃)= н(С₈Н₁₄О₄)=4792 моль

m_теор(С₈Н₁₄О₄)=4792 моль*174 г/моль=833808г.

Находим m_пр

Ответ: 625 кг.

Задачи для самостоятельного решения

1. В промышленности винилхлорид получают пиролизом дихлорэтана:

2С₂Н₄ + 2НС1 > С₂Н₃С1 + НСl. В настоящее время осуществлен сбалансированный синтез дихлорэтана, при котором получают единственный продукт процесса -- винилхлорид. Для этого выделяющийся при пиролизе дихлорэтан смешивают с этиленом и подвергают окислительному хлорированию на катализаторе, содержащем хлорид меди(II) на носителе. Напишите уравнение реакции и рассчитайте объем хлороводорода (н. у.), выделившегося при пиролизе 19,8 кг дихлорэтана, и массу винилхлорида, полученного при сбалансированном синтезе. Какой объем займет этилен (н. у.), необходимый для второй стадии процесса?

2. Полимеризацией хлоропрена получают хлоропреновые каучуки, характеризующиеся высокой устойчивостью к действию света, теплоты и растворителей. Найдите молекулярную формулу хлоропрена, если известно, что массовые доли элементов в нем составляют: углерода -- 54,24%, водорода -- 5,65%, хлора -- 40,11%. Относительная плотность его паров по водороду равна 44,25.

3. Полимеризацией стирола получают полистирол, который используют в электротехнике в производстве декоративно-отделочных материалов и предметов бытового назначения. Найдите молекулярную формулу стирола, если известно, что массовая доля углерода в нем составляет 92,3%, водорода -- 7,7%. Относительная молекулярная масса стирола равна 104.

4. Один из многоатомных спиртов используют для приготовления антифризов -- жидкостей, замерзающих при низкой температуре. Антифризы используют в зимних условиях для охлаждения автомобильных двигателей. Найдите молекулярную формулу этого спирта, если массовая доля углерода в нем составляет 38,7%, водорода -- 9,7%, кислорода -- 51,6%. Относительная плотность его паров по водороду равна 31. Напишите структурную формулу спирта и назовите его.

5. Наиболее перспективный способ получения уксусного альдегида -- прямое окисление этилена кислородом в присутствии катализаторов -- хлоридов палладия и меди. Напишите уравнения реакций и рассчитайте какой объем этилена (н.у.) израсходуется на получение 200 кг уксусного альдегида, если массовая доля выхода его составляет 96% от теоретически возможного?

6. Алкены широко используют для получения альдегидов методом оксосинтеза. Сущность этого метода заключается во взаимодействии алкена с синтез-газом (смесь оксида углерода(II) и водорода) при нагревании и в присутствии специального катализатора. Напишите уравнения реакций. Какой объем этилена (н.у.) расходуется на получение 360 кг пропаналя методом оксосинтеза, если массовая доля выхода альдегида составляет 90% от теоретически возможного?

7. В промышленности муравьиную кислоту получают нагреванием оксида углерода (II) с порошкообразным гидроксидом натрия с последующей обработкой образовавшегося формиата натрия серной кислотой:

+ СО 4Н₂SО₄

NaОН > НСООNа > НСООН.

- NaHSO₄

Какую массу муравьиной кислоты можно получить из 112 кг оксида углерода(II), если массовая доля выхода кислоты составляет 86% от теоретически возможного?

8. Двухосновную адипиновая кислоту НООС-(СН₂)₄-СООН в больших количествах используют для получения синтетического волокна найлона. В пищевой промышленности она может заменять лимонную и винную кислоты. Сейчас адипиновую кислоту получают окислением циклогексана кислородом. Рассчитайте массу адипиновой кислоты, которую можно получить из 336 кг циклогексана, если массовая доля выхода кислоты составляет 75% от теоретически возможного.

9. Взаимодействием этилового спирта с уксусной кислотой получают этилацетат, используемый в производстве нитроцеллюлозных лаков. Определите массу этилацетата, который образуется при взаимодействии 60 кг 80%-ной уксусной кислоты с 70 кг 96%-ного этанола. Массовая доля выхода этилацетата составляет 90% от теоретически возможного.

10-. Изоамилацетат (грушевая эссенция) используют в пищевой и кондитерской промышленности. Определите массу грушевой эссенции, которую можно получить при взаимодействии 66 кг изоамилового спирта и 112,5 кг 80%-ной уксусной кислоты. Массовая доля выхода эссенции составляет 60% от теоретически возможного.

11. Анилин широко применяют в производстве красителей, фармацевтических препаратов, вспомогательных веществ для резиновой промышленности, полимерных материалов. В последнее время анилин часто получают из хлорбензола и аммиака: С₆Н₅С1 + 2NH₃ > C₆H₅NH₂ + NH₄Cl

Определите массу анилина, который можно получить из 450 кг хлорбензола, если массовая доля выхода анилина составляет 94% от теоретически возможного.

12. Поливинилхлорид (ПВХ) используют как упаковочный материал для пищевых продуктов, а также как сырье для производства игрушек, моющих обоев и т.д. Ежегодно в Ханты-Мансийском округе отходы из ПВХ составляет 0,1% от общего количества бытовых отходов - 2 млн. тонн. Напишите уравнения реакций получения ПВХ из метана. Рассчитайте, сколько тонн природного газа (содержание метана 95%) тратится на получение такого количества ПВХ.

3.6 Творческие и изобретательские задачи

В этом разделе не предусматриваются методические рекомендации при решении задач, т.к. диапазон решения теоретических задач очень широк и при решении таких задач происходит акт творчества, находится новый путь в решении сложных проблем или создается нечто новое. Но при решении таких задач студенты опираются на законы химии, физики и математики.

Примеры решения задач

1. а). Чтобы незаметно было, что молоко прокисло, в него добавляли соду. Как это можно выявить?

б) Молоко разбавляли водой, а чтобы прозрачность его не увеличивалась, добавляли крахмал. Как распознать фальсификацию?

Решение:

Вариант 1. В 50 мл кислого молока добавим 10 г пищевой соды, тщательно перемешаем стеклянной палочкой. Ярких внешних изменений нет, но кислый вкус молока исчезает. Происходит реакция нейтрализации молочной кислоты гидрокарбонатом натрия:

CH₃-CHOH-COOH + NaHCO₃ > CH₃-CHOH-COONa + CО₂^+ H₂O.

Причем на нейтрализацию молочной кислоты идет только часть гидрокарбоната натрия. Остальная часть гидролизуется:

NaHCO₃ + НОН NaOH + CО₂^ + Н₂О;

НСО₃ + НОН ОН + СО₂^ + Н₂О.

Проверив индикаторной бумагой, раствор молока, убеждаемся, что рН равен 9,0. Фенолфталеин меняет окраску в растворе на малиновую, что указывает на щелочную среду. Таким образом, для обнаружения в кислом молоке соды необходимо проверить среду раствора.

Вариант 2. В 32 мл свежего молока добавим 18 мл воды, чтобы раствор не был прозрачным, и 20 г крахмала, тщательно перемешаем. Для обнаружения крахмала в растворе добавим 2-3 капли раствора йода. Цвет молока изменяется на темно-синий. Таким образом, качественная реакция на крахмал вскрывает фальсификацию.

2. Хозяйственное мыло представляет собой смесь натриевых солей нескольких органических кислот с большой молекулярной массой. Если к раствору мыла добавить кислоту, то в результате обменной реакции образуется стеарин, из которого можно изготовить сувенирную свечу. Попытайтесь изготовить свечу из кусочка хозяйственного мыла. При желании сделайте ее окрашенной.

Решение:

Ножом нарезаем кусочки хозяйственного мыла и складываем их в чистую консервную банку. Наливаем воды, чтобы она с избытком накрывала кусочки мыла, и ставим банку на водяную баню, непрерывно помешивая ее содержимое до растворения. Когда мыло полностью растворится и раствор станет однообразной кашицей, консервную банку снимаем с водяной бани и приливаем (осторожно!) 7-8 мл 2 н. раствора уксусной кислоты. Под действием уксусной кислоты из раствора выделяется и всплывает на поверхность густая белая масса - стеарин (смесь стеариновой С₁₇Н₃₅СООН и пальмитиновой С₁₅Н₃₁СООН кислот):

C₁₇H₃₅COONa + CH₃COOH >С₁₇Н₃₅СООН + CH₃COONa.

стеарат натрия уксусная кислота стеарин ацетат натрия

Даем ей остыть и, собирая стеарин с поверхности ложкой, перекладываем его в чистую посуду. Затем два-три раза промываем водой и заворачиваем в чистую белую тряпку или фильтровальную бумагу, чтобы впиталась лишняя влага. Обезвоженный стеарин расплавляем. Для изготовления свечи окунаем многократно толстую витую нить в полученный расплавленный стеарин, каждый раз давая стеарину затвердеть на фитиле. Поступать, таким образом, следует до тех нор, пока на фитиле не нарастет свеча достаточной толщины.

Чтобы получить красивую фигурную свечу, фитиль желательно сначала пропитать 1-2 слоями стеарина и закрепить в форме так, чтобы он проходил точно по центру формы и был немного натянут. Затем в форму заливают горячий стеарин. Для окрашивания свечи в рабочую смесь вводят ионы

(Сг³⁺ -- зеленый, Си²+ -- голубой, Ni³⁺ -- светло-зеленый, Со²⁺ - синий). Данный опыт можно проводить при изучении темы «Жиры» в X классе, а также на факультативных занятиях.

3. Как вытряхнуть песок из чернильницы-непроливайки? Примерно с такой проблемой столкнулись инженеры-литейщики. Отлитые из металла детали очищают струей песка. Поверхность деталей становится чистой, но отдельные песчинки попадают во внутренние полости и там остаются. Переворачивать тяжелые металлические детали и вытряхивать из них песок невозможно. Что делать?

Решение:

Используем изученный -- «использование фазовых переходов».

Сначала надо четко сформулировать противоречие, которое нужно устранить: песок должен быть, чтобы очищать, и песка не должно быть, чтобы не загрязнять полости. Слово «песок» заменяем словом «вещество» - ведь абразивными свойствами обладает не только песок. Противоречие принимает вид: вещество должно быть, чтобы очищать, и вещество должно исчезнуть, чтобы не загрязнять полости. Известно, что вещество просто так исчезнуть не может, оно может только измениться, например, перейти в другое агрегатное состояние при изменении температуры. Подбираем вещество, которое, будучи твердым, выполнит работу, а потом исчезнет. Большинство веществ при повышении температуры сначала переходят в жидкое состояние, а жидкость тоже трудно удалить из полости. Значит, останавливаемся на явлении возгонки (сублимации). Известные учащимся вещества, способные возгоняться, - это йод, белый фосфор, «сухой лед». Для возгонки йода требуется высокая температура, белый фосфор огнеопасен и ядовит. Решение найдено: надо использовать «сухой лед», который после работы испарится, превратившись в газ.

4. Как изготовить конфеты в виде шоколадных бутылочек, наполненных густым малиновым сиропом? Учащиеся чаще всего предлагают сначала сделать шоколадную бутылочку, а потом залить в нее сироп. Однако сироп обязательно должен быть густым, иначе конфета получится непрочной. А густой сироп трудно залить в бутылочку. Можно, конечно, нагреть сироп, он станет более жидким. Но вот беда - горячий сироп расплавит шоколадную бутылочку. Как быть?

Решение:

Используем прием «сделать наоборот», т. е. не сироп заливать в бутылочку, а шоколадом покрывать сироп. Но возникает новое противоречие: как можно покрыть шоколадом жидкий сироп? Опять применяем тот же прием: пусть жидким будет шоколад, а сироп твердым. Придется изменить агрегатное состояние: сироп нужно заморозить в форме бутылочки и окунуть в жидкий шоколад. Шоколад застынет, а сироп растает. Конфетка готова.

Прием «сделать наоборот» -- один из самых распространенных в изобретательстве. Закрепить знания о возможностях этого приема можно на примерах нескольких великих открытий: закона Ньютона (ученый задал себе вопрос: почему Земля не падает на яблоко? Попытавшись на него ответить, он сделал открытие). Закона Архимеда (он тоже сделал наоборот: измерил не объем предмета, погруженного в воду, а объем воды, им вытесненной. Это привело к открытию); гелиоцентрического устройства мира (Джордано Бруно предположил, что не Солнце движется вокруг Земли, а Земля вокруг Солнца, и оказался прав, хоть это предположение и стоило ему жизни).

5. Кристаллы оксида алюминия выращивают из очень чистого расплава. Нельзя даже плавить оксид алюминия в платиновом тигле -- в расплав могут попасть атомы платины. Как получить сверхчистый расплав?

Решение:

Выявляем и формулируем противоречие: сосуд должен быть, чтобы расплав не разлился, и сосуда не должно быть, чтобы расплав не загрязнялся. Выбираем прием, соответствующий данному противоречию, -- это «использование принципа однородности»: объекты, взаимодействующие с данным объектом, должны быть сделаны из того же материала или близкого ему по свойствам. В соответствии с этим принципом придется плавить оксид алюминия в... оксиде алюминия. Любой сосуд, наполненный оксидом алюминия, следует нагревать так, чтобы расплавилась только центральная часть. Получится расплав оксида алюминия в «тигле» из твердого оксида алюминия. Но тут же возникает следующая проблема: как нагреть оксид именно в центре, не прикасаясь к нему? Вспоминая физику, выясняем, что для нагрева без прямого контакта надо использовать электромагнитную индукцию: при этом источник энергии не соприкасается с нагреваемым веществом. Но твердый оксид алюминия -- диэлектрик, он не проводит электрический ток. Значит, электромагнитная индукция не может возникнуть. Правда, расплавленный оксид проводит ток, но для плавления нужен нагрев.

Итак, возникает следующее противоречие: в оксид алюминия необходимо добавить кусочки металла, чтобы возникала электромагнитная индукция, и нельзя добавлять кусочки металла, потому что загрязнение оксида недопустимо. Для устранения этого противоречия используем принцип дробления, т. е. разделение объекта на независимые части -- алюминий и кислород.

Изобретение оказалось удивительно простым. В оксид алюминия перед началом плавки вводят кусочки алюминия, который хорошо проводит электрический ток и поэтому йод действием электромагнитного поля быстро нагревается сам и нагревает оксид до плавления. Теперь, когда алюминий не нужен (расплавленный оксид сам проводит ток), он исчезает -- просто-напросто сгорает при высокой температуре, превращаясь в оксид алюминия.

6. Одна из самых драматических истории в изобретательстве связана с обыкновенной электрической лампой. Неразрешимое, казалось бы, противоречие надолго затормозило развитие этого технического устройства. Чтобы улучшить качество излучения, сделать свет лампы более похожим на солнечный, нужно повысить температуру нити накала. Но чем выше температура нити, тем быстрее идет испарение металла: нить становится тоньше, перегорает, на внутренней поверхности колбы быстро образуется темный налет испарившегося вольфрама, преграждающий путь свету, лампа еще больше разогревается, светимость падает. Как решить задачу?

Решение:

Формулируем противоречие: вольфрамовая нить должна накаляться, но не должна испаряться. В данном противоречии заданы параметры нового вещества для нити накала. Но подобное вещество еще не получено, т. е. избавиться от вредного влияния (испарение вольфрамовой нити) прямым путем мы не можем.

Придется обратить вред в пользу. Уточним, что происходит в лампе.

При высокой температуре амплитуда колебаний атомов вольфрама в кристаллической решетке возрастает настолько, что отдельные атомы отрываются от нити и улетают. Куда? В соответствии с законами физики теплота переносится от более нагретого тела (нити) к менее нагретому (колбе). Как заставить атомы вольфрама вернуться назад и «приземлиться» на старое место, причем не где попало, а именно там, откуда их больше всего вылетает? Физические законы страшнее юридических, их невозможно нарушить даже при очень сильном желании. Перенос вольфрама из холодной зоны в горячую и точная «посадка» на нить накала противоречат законам физики. Здесь поможет химия. Известны так называемые транспортные реакции, при которых твердые или жидкие вещества, взаимодействуя с газообразными, образуют газообразные продукты, а полученные вещества после переноса в другую часть системы при повышении температуры разлагаются с выделением исходного вещества. Такой перенос может происходить как из холодной зоны в горячую, так и в обратном направлении. Параметры заданы. Осталось определить соединение вольфрама, обладающее транспортными функциями. В ртутной лампе используют бром (или хлор). В лампах накаливания в роли «извозчиков» может работать, например, йод. Он взаимодействует с осевшим на колбу вольфрамом, образуя йодид вольфрама(II), который разлагается на раскаленной нити, и вольфрам оседает туда, откуда он испарился. Замечательно то, что этот процесс не потребляет энергию извне, не требует никаких дополнительных обслуживающих систем -- все обеспечивается безупречным поведением «дрессированных» молекул.

7. В одном институте разрабатывали проект не совсем обычного трубопровода: по одним и тем же трубам должны были друг за другом идти разные жидкости. Чтобы они не спешивались, их надо разделить специальным устройством, например, после первой жидкости идет шар, словно поршень, а за шаром другая жидкость. Такая система ненадежна, так как при большом давлении в трубопроводе жидкости будут смешиваться. Можно использовать другие разделители, например пробку из трех резиновых дисков. Но любой разделитель не пройдет через насосы, установленные на насосных станциях. Предложите разделитель, способный проходить через насосы и гарантирующий несмешивание жидкостей.

Решение:

Начнем с дробления: мысленно уменьшаем размеры шара. Вместо одного большого шара - множество футбольных мячей. Или теннисных. Или еще меньше - дробинок, плавающих в жидкости. (На такую «пробку» выдано авторское свидетельство.) Замена жесткой пробки на динамичную соответствует общей тенденции развития технических систем. А если продолжить мысленный эксперимент? Перейдем от дроби к еще более мелким частицам - молекулам. Возникает идея пробки из жидкости или газа. Газовая пробка не сможет быть разделителем: транспортируемая жидкость пройдет сквозь нее. А вот жидкая пробка возможна. Один нефтепродукт, например керосин, затем водяная пробка, а за ней другой нефтепродукт, скажем бензин. У жидкой пробки огромные преимущества: она никогда не застрянет в трубопроводе и свободно пройдет через насосы промежуточных станций. Но и недостаток у этой пробки существенный: нефтепродукты будут проникать в жидкий разделитель, головная и хвостовая части пробки постепенно смешаются с ними. Отделить их от воды трудно, на конечной станции пробку и попавшие в нее нефтепродукты придется выбросить. Но жидкое вещество пробки, прибыв в резервуар на конечной станции, должно само отделиться от нефти. Для этого есть только две возможности: жидкость становится твердым веществом и выпадает в осадок или превращается в газ и улетучивается. Переход в газ заманчивее, так как твердый осадок надо отфильтровывать. Значит, нужно вещество, которое при высоком давлении в нефтепроводе (десятки атмосфер) будет жидким, а при нормальном давлении -- газообразным. Кроме того, учтем, что подобное растворяется в подобном. Чтобы пробка не растворялась в нефти, ее нужно изготовить из полярной жидкости, дешевой, безопасной, инертной по отношению к нефтепродуктам. Имея столь подробный перечень примет, нетрудно найти подходящее вещество по справочнику. Всеми интересующими нас качествами обладает аммиак. Пробка из жидкого аммиака надежно разделит идущие по трубопроводу жидкости. В дороге она частично смешается с нефтепродуктами, но это нестрашно: на конечной станции аммиак превратится в газ, в нефть останется в резервуаре.

8. Для изготовления листового стекла раскаленную стеклянную ленту подают на конвейер. Лента перекатывается с одного металлического ролика на другой, постепенно остывая. При этом не застывшая еще стеклянная лента прогибается, на стекле образуются неровности, поэтому его приходится долго полировать. Впервые столкнувшись с этой проблемой, инженеры предложили сделать ролики как можно тоньше, чтобы стеклянная лента получалась ровнее. Но чем тоньше ролики, тем сложнее изготовить из них огромный - в десятки метров -- конвейер. Если толщина ролика равна толщине спички, на каждый метр конвейера потребуются 500 роликов и устанавливать их придется прямо-таки с ювелирной точностью. Как усовершенствовать процесс изготовления листового стекла?

Решение:

Попробуем опять применить принцип дробления. Уменьшаем диаметр роликов. Минимальная толщина -- один атом. Раскаленная стеклянная лента движется по слою шариков-атомов. Отличный конвейер, идеально ровный.

Итак, под стеклянную ленту надо насыпать шарики-атомы. Это не могут быть атомы газа (они сразу улетучатся) или твердого тела (они не будут свободно двигаться). Остается одна возможность -- использовать атомы жидкости. Какую жидкость взять для такого конвейера? Не будем искать наугад, используем знания по химии (или хотя бы справочники). Прежде всего, нужна жидкость легкоплавкая, но у нее должна быть высокая температура кипения, иначе она легко закипит, и поверхность стекла покроется пузырьками. Плотность жидкости должна значительно превышать плотность стекла (2,5 г/см³), иначе стеклянная лента не будет держаться на ее поверхности. Итак, искомое вещество имеет температуру плавления не выше 200-300°С, температуру кипения не ниже 1500 °С, плотность не менее 5-6 г/см³.

Таким сочетанием свойств обладают только металлы. Если не брать во внимание редкие металлы, претендентов совсем мало: висмут, олово, свинец. Висмут дорог, пары свинца ядовиты, остается олово. Итак, вместо конвейера -- длинная ванна с расплавленным оловом. Вместо роликов -- атомы.

Система перешла на микроуровень, появилась возможность дальнейшего развития. И действительно, сразу после этого изобретения потоком пошли патенты на различные усовершенствования. Например, если через олово пропустить ток, то с помощью магнитов можно придавать его поверхности любую форму - только на эту тему сделано несколько сотен изобретений.

9. При выплавке чугуна в домне образуется ишак. Шлак, имеющий температуру 1000°С, спивают в большие ковши и на железнодорожных платформах отвозят на переработку. Расплав шлака -- ценное сырье для изготовления строительных материалов. Но затвердевший шлак перестает быть таким сырьем. Снова расплавлять его невыгодно. В ковше сначала весь шлак жидкий, однако при транспортировке на его поверхности образуется и быстро нарастает твердая корка. Приходится пробивать ее с помощью специальных (довольно громоздких) устройств. Корка удерживает часть жидкого шлака. В результате из ковша сливают только 2/3 шлака, остальное идет на свалку. К тому же нужно потратить немало труда, чтобы освободить ковш от затвердевшего шлака, а потом вывезти этот шлак с территории завода. Было бы выгодно сделать ковш с хорошей теплоизоляцией, но она займет много места, ковш станет шире, а это недопустимо при железнодорожных перевозках. Если же сделать теплоизолирующую крышку на ковш, который размером с комнату, то и устанавливать, и снимать ее придется с помощью крана. Предложите решение.

Решение:

Модель задачи: есть раскаленный шлак, а над ним холодный воздух. ИКР: холодный воздух сам не дает застыть шлаку. Применяем прием «обратить вред в пользу»: холодный воздух должен защищать шлак от холодного воздуха.

Какая зона воздуха не соответствует этому требованию? Очевидно, та, которая непосредственно соприкасается с горячей поверхностью расплавленного шлака. Теперь видно физическое противоречие: эта зона (там сейчас слой холодного воздуха) должна быть чем-то заполнена, чтобы задерживать тепло, и эта зона не должна быть ничем заполнена, чтобы можно было свободно заливать и выливать шлак. В подобных случаях не вводят посторонние вещества, а видоизменяют уже присутствующие («использовать принцип однородности») - шлак и воздух. Возможны только три ответа.

Изменять воздух - нагревать тот слой, который лежит у поверхности шлака. Это плохое решение: придется ставить горелки, а они будут загрязнять атмосферу.

Изменять шлак - покрыть поверхность жидкого шлака шариками из твердого шлака. Термоизоляция получится неплохая, но возникает масса неудобств: надо изготавливать шарики, как-то удерживать их в ковше, когда сливается шлак.

Использовать смесь шлака и воздуха - смешать компоненты и получить пену. Отличный теплоизолятор. Залили шлак в ковш, сделали слой пены, получили прекрасную теплозащитную крышку. Сливать шлак можно, не обращая внимания на эту крышку, - жидкий шлак свободно пройдет сквозь пену. Крышка есть, и как бы нет. Задача в принципе решена, нужно выяснить чисто технический вопрос: как получить пену? Простейший способ - при заливке шлака подавать одновременно немного воды. Обратите внимание на парадокс: чтобы шлак сохранил тепло его поливают холодной водой.

10. Хороший термос долго (до 2 суток) хранит тепло, но когда жидкость в термосе остыла, то для нагревания ее необходимо вылить из термоса, нагреть и снова залить. А если для этого нет условий? Почему бы воду не нагреть сразу в термосе? Но колба термоса не герметична, в простенках вакуум. Если в колбу ставить еще один металлический цилиндр, чтобы в нем нагревать воду, вес изделия увеличится. Это грубое решение проблемы. Изобретите термос - чайник.

Решение:

Формулируем техническое противоречие: вакуум в колбе должен быть теплопроводным, когда вода нагревается, и не должен проводить тепло, когда нагревание прекращено. Заменяем слово вакуум на словом вещество: вещество в сосуде должно проводить тепло при нагревании сосуда и быть теплоизолятором при прекращении нагревания. Лучший теплоизолятор тепла - вакуум. Уточняем: вещество появляется при нагревании и проводит тепло; вещество исчезает при прекращении нагревания, образуется вакуум. Для решения этой задачи более всего подходят гидриды металлов, т.к. они обладают способностью поглощать водород при охлаждении и выделять при нагревании. А водород хороший проводник тепла. Итак, в термосе между стенками глубокий вакуум, а на дне - горсть гидрида. Если немного нагреть гидрид, то выделившийся водород станет проводником тепла между стенками. Выключим нагрев, и водород полностью поглотится гидридом, восстановится вакуум. Внутри термоса может быть аккумулятор тепла и холода. По энергоемкости водородные термосы в 20 раз превосходят электробатареи.

Выводы

1. Определена тематика задач по теоретическим основам химической технологии в рамках изучения курса прикладная химия.

2. Составлены и подобраны задачи по выбранным темам.

3. Показано, что при решении задач по прикладной химии студенты испытывают затруднения при математических расчетах с использованием дифференциального и интегрального исчисления, разложением сложного многостадийного процесса в условии задачи на отдельные стадии и проведении расчетов по всей совокупности стадий.

4. Разработана методика решения задач, в качестве примера представлены подробные решения типовых задач каждого раздела и приведены задачи для самостоятельного решения.

5. Показано, что курс прикладная химия, изучаемый на завершающем этапе подготовки будущих учителей химии следует рассматривать как курс обобщения, повторения и систематизации ранее приобретенных химических знаний.

Список литературы

1. Абкин Г.Л. Методика решения задач по химии. М.: Просвещение, 1971. - 200 с.

2. Аликберова Л.Ю., Хабарова Е.И. Задачи по химии с экологическим содержанием. М.: Центрхимпресс, 2001. - 70 с.

3. Андреева М.П. Овладение студентами педагогических ВУЗов методическими приемами обучения учащихся решению задач по химии. // Химия и методика преподавания. 2005, № 3. - С. 23-26.

4. Аранская О.С. Сборник задач и упражнений по химической технологии и биотехнологии. Минск: Университетское, 1989. - 296с

5. Аркавенко Л.Н., Гапонцеа В.Л., Белоусова О.А. Для чего классифицировать расчетные задачи. // Химия в школе. 1998, № 3. - С. 60-63.

6. Артемьев В.П. Задание по методике преподавание химии. Тесты и усложненные задачи (задачи экологического содержания). Пенза, 2002. 122 с.

7. Архангельская О.В., Тюльков И.А. Трудная задача? Начнем по порядку…

// Химия в школе. 2003, № 2. - С. 51-55.

8. Ахметов М.А. Конспект лекции по общей химии. Введение в термодинамику химических реакций. // Первое сентября. 2005, № 15. - С. 35-37.