Теория к заданиям 25

• Применение веществ

Тут нужно сопоставить вещество и сферу его применения. Надо понимать, что очень много что может быть использовано для много чего, поэтому в задании просят соотнести вещество именно с основной сферой его применения. Надо прочувствовать логику ЕГЭ и не придумывать своего.

Основные типы удобрений – нитратные и фосфатные:

используются в качестве удобрений: нитрат аммония, нитрат калия, карбамид, суперфосфат, гидрофосфат кальция

используются для производства удобрений: аммиак, серная кислота

Подобное растворяется в подобном. Поэтому если надо растворить полярное вещество, то используется полярный растворитель. А если неполярное вещество – неполярный растворитель:

неполярные растворители: этилацетат, ацетон, толуол, тетрахлорметан
полярные растворители: этанол, вода

Для производства стекла можно использовать не только оксид кремния(IV), но и много чего еще. Например, соду.

• Водоочистные станции:

водоподготовка (осветление, умягчение, обессоливание воды и т.п.) — сульфат алюминия
водоочистка — хлор, озон
адсорбент — активированный уголь

Анилин используется для производства красителей – бриллиантовый зеленый (зеленка), метиленовый синий.

Пищевая промышленность:

сода – разрыхлитель теста (в реакции с лимонной кислотой выделяется углекислый газ) и чистящее средство
консерванты: уксусная кислота, фосфорная кислота, бензойная кислота
лимонная кислота — пищевая промышленность, снятие накипи со стенок металлической посуды
NaCl – соль (любой солью картошечку не посолишь)

Топливо:

этанол, метан, пропан (для автомобилей)

Для производства полимеров применяют:

этилен, пропен, изопрен, капрон, бутадиен-1,3 (каучук, резина), триацетат целлюлозы (искусственный шелк)

Для выплавки чугуна (сплава железа с углеродом):

оксид железа(III), кокс

Отдельные факты:

сульфат меди(II) — средство защиты растений (из-за окислительных свойств)

ацетилен — для газовой сварки металлов, получения хлорвинила

этиленгликоль — компонент автомобильных антифризов и тормозных жидкостей

стеарат натрия — для производства моющих средств

целлюлоза — для производства бумаги

азот — для производства аммиака

азотная кислота — для получения нитросоединений

медь — для изготовления электропроводов

полипропилен — для изготовления упаковочной пленки

перекись водорода— отбеливатель, обработка небольших ран (антисептик)

NaClO — отбеливатель

кумол — для получения фенола

алюминий — для производства сплавов для самолетостроения

оксид алюминия — для производства жаропрочных материалов

этен — для производства этанола

CO — в качестве реагента при производстве метанола

глицерин — в составе косметики

• Техника

В заданиях это типа надо выбрать, для чего используются те или иные аппараты.

Ректификационная колонна

Колба подогревается до определенной температуры, при которой один из компонентов смеси испаряется. Пары вещества поднимаются вверх, где охлаждаются и конденсируются. Конденсат стекает по трубке в другую колбу. Так, нагревая исходную смесь до разных температур, можно разделить ее на составляющие.

Ректификационная колонна используется для перегонки нефти. Перегонка нефти это разделение ее на фракции (бензин, керосин и т.п.).

Колонна синтеза

Колонна синтеза это, грубо говоря, большой сосуд для проведения реакций между газами. Конечно, в реальности она устроена сильно сложнее, но для ЕГЭ это не надо.

С помощью колонны синтеза получают аммиак (из водорода и азота) и метанол (из угарного газа и водорода).

Получение серной кислоты

Есть 2 способа: контактный и башенный. Контактный способ является основным и включает три этапа:

• Сжигание пирита (FeS₂) в кипящем слое с получением SO₂ (проводят в печи для обжига)

• Окисление SO₂ до SO₃ в контактном аппарате в присутствии катализатора V₂O₅. Окисление SO₂ до SO₃ — обратимая, каталитическая, экзотермическая реакция

• Абсорбция SO₃ концентрированной серной кислотой с получением олеума в поглотительной башне

В башенном способе используется реакция, которая проходит НЕ в колонне синтеза: SO₂ + NO₂ + H₂O → H₂SO₄ + NO.

Получение резины

• полимеризация изопрена → натуральный каучук
  или полимеризация дивинила → синтетический каучук

• каучук + S → резина
  (вулканизация каучука)

• Разное

Электролизер — аппарат для проведения электролиза. Электролизом получают натрий.
Доменная печь — печь для выплавки чугуна. Внутри оксиды железа восстанавливаются угарным газом до железа. Основной особенностью доменной печи является то, что ее нельзя просто взять и погасить, иначе металл внутри застынет.
Компрессор — для сжатия газовой смеси.
Сепаратор — для отделения жидкостей от газов.

Полимеры

В этом типе задания надо соотнести полимеры и их мономеры. В основном, все следует из обычной теории по органике. Например, полимером полиэтилена является этилен. Подробнее читай об этом в статье по алкенам. Внимание на себя обращают несколько полимеров.

бутадиен-1,3 → дивиниловый каучук
изопрен → натуральный каучук
глюкоза → крахмал
глюкоза → целлюлоза
капролактам → капрон
терефталевая кислота → полиэтилентерефталат (лавсан)
тетрафторэтилен → тефлон

Еще может попасться вариант задания, где то же самое спрашивается в виде формул. Надо научиться писать реакции полимеризации (если не умеешь, смотри в алкенах). Но вот пара необычных молекул:

тефлон

капрон

фенолформальдегидная смола

Типы волокон

Натуральные полимеры: хлопок, ДНК, РНК, крахмал, натуральный каучук, лен, шелк.

Искусственные полимеры: вискоза, ацетатный шелк.

Синтетические полимеры: нейлон, капрон, лавсан, дивиниловый каучук, поливинилхлорид, акрил, лайкра, полиэстер.

Неорганические полимеры: стекловолокно, асбест.

Искусственные полимеры получаются путем модификации природных полимеров, а синтетические создаются с нуля.

Полимеры можно получать полимеризацией (без образования побочных продуктов) или поликонденсацией (с образованием побочных продуктов). Если в поликонденсацию вступает несколько молекул, то это сополиконденсация (образование фенолформальдегидной смолы).

Способы разделения

В этом типе задания дается смесь веществ, и нужно выбрать оптимальный способ разделения этой смеси.

Делительная воронка используется для разделения двух жидкостей при условии, что одна из них является гидрофильной, а другая гидрофобной. Со временем смесь жидкостей в воронке расслаивается из-за несмешиваемости и становится возможным слить нижнюю фракцию.

Декантация подобна разделению с помощью делительной воронки, только в делительной воронке сливается нижняя фаза, а в декантации верхняя.

Фильтрование используется для отделения из раствора нерастворимого вещества.

С помощью магнита можно разделить смесь двух металлов при условии, что один из них намагничивается.

С помощью фракционной перегонки разделяют смешиваемые жидкости. Например, если нагревать смесь воды и спирта, то спирт испарится раньше воды. Пары спирта можно будет собрать, охладить и поместить в отдельную емкость.

Если есть смесь двух твердых веществ, одно из которых растворимо в воде, а другое нет, то их можно разделить с помощью обработки водой, фильтрования и выпаривания раствора.

Способ получения

В этом задании надо соотнести вещество и основной источник его промышленного полученияя:

воздух → аммиак
(воздух является источником азота)

хлорид натрия → гидроксид натрия
(при электролизе раствора хлорида натрия одним из продуктов является гидроксид натрия)

природный газ → метан (основной компонент)

попутный нефтяной газ → пропан

крекинг нефти → этилен

высокотемпературная обработка метана → ацетилен

перегонка нефти → бензин, керосин

Лабораторная посуда

фарфоровая чашка → упаривание растворов
металлический шпатель → взятие небольших порций сыпучих веществ
ступка с пестиком → измельчение твердых веществ
мензурка → измерение объема жидкости

НеФИПИшная теория

То, что будет дальше, попадалось в разных авторских вариантах. Выучить это можно, но только после того как не будет проблем с основной теорией.

Методы получения веществ

Применение веществ

Окрашивание пламени

Разные соли окрашивают пламя горелки в разный цвет в зависимости от их состава:

Cu²⁺ и BO₃³⁻ → зеленый
Ba²⁺ → желто-зеленый
Na⁺→ желтый
Sr²⁺→ карминово-красный
Ca²⁺→ кирпично-красный
Li⁺→ красный
K⁺ → фиолетовый

Лабораторная посуда

Пипетка - для отбора рас­тво­ра опре­де­лен­но­го объ­е­ма
Бюретка - для титрования
Делительная воронка - для раз­де­ле­ния несме­ши­ва­ю­щих­ся жид­ко­стей
Колба Вюрца - со­став­ная часть при­бо­ра для пе­ре­гон­ки
Колба Бунзена - для вакуумного фильтрования
Хлоркальциевая трубка - для осу­ше­ния газов
Прямой холодильник - со­став­ная часть при­бо­ра для пе­ре­гон­ки
Обратный холодильник - конденсирование паров и возврат конденсата в реакционный сосуд
Мерный цилиндр (стакан) - для измерения объема растворов
Пробирка - для проведения химических реакций
Фарфоровая ступка - для измельчения твердых веществ
Круглодонная колба - реакционная емкость для работы в вакууме или для нагревания раствора
Воронка Бюхнера - фильтрация под вакуумом
Фильтр Шотта - фильтрация под вакуумом
Фарфоровый тигель - для прокаливания в печи
Аппарат Киппа - для получения газов
Бокс - для хранения твердых веществ

Правила работы в лаборатории

Техника безопасности при работе в химической лаборатории. При работе в лаборатории необходимо строго соблюдать правила и инструкции техники безопасности. 

1. В химической лаборатории можно работать только в халате. Халат должен быть застегнут на все пуговицы. Длинные волосы необходимо подбирать (убрать в пучок или иным способом).

2. На рабочем столе могут находиться только те вещи, которые необходимы для выполнения работы. На рабочем месте необходимо поддерживать чистоту и порядок.

3. Перед выполнением работы необходимо познакомиться с описанием работы, последовательностью действий, которые необходимо выполнять во время работы. При работе с приборами и установками необходимо изучить их устройство и правила работы с ними.

4. Категорически запрещено работать в лаборатории одному, так как при несчастном случае никто не сможет оказать помощь пострадавшему, вызвать помощь, ликвидировать последствия аварии и т.д.

5. В лаборатории категорически запрещается курить, принимать пищу и воду. Также в лаборатории запрещено хранить продукты питания.

6. Помещение обязательно должно быть оборудовано противопожарным оборудованием (средства пожаротушения: огнетушители в рабочем состоянии и др.). Все работники лаборатории должны знать, где находятся средства пожаротушения, а также аптечка.

7. Неизрасходованные реактивы нельзя высыпать и выливать обратно в те сосуды, откуда они были взяты.

8. При работе в лаборатории необходимо соблюдать чистоту и аккуратность. Вещества не должны попадать на кожу лица и рук, так как многие вещества вызывают раздражение кожи и слизистых оболочек.

9. Необходимо использовать только целую и чистую лабораторную посуду. После завершения работы необходимо помыть лабораторную посуду.

10. После окончания работы необходимо выключить газ, воду, электроэнергию.

11. При нагревании растворов и веществ в пробирке необходимо использовать держатель. Во время нагревания жидких и твердых веществ в пробирках и колбах нельзя направлять отверстия сосудов на себя и соседей. Может произойти внезапный выброс вещества.

12. Вещества в лаборатории категорически запрещается пробовать на вкус.

13. Чтобы определить запах вещества, необходимо осторожно направить на себя пары вещества или газы легким движением руки — от сосуда с веществом к лицу. Нельзя наклоняться к сосуду и нельзя вдыхать пары полной грудью.

14. Твердые химические реактивы можно брать только шпателем, пинцетом или ложечкой (ни в коем случае не руками!).

15. Жидкости категорически запрещается набирать в пипетки ртом. Для набора жидкости в пипетку используется специальная груша. Жидкие химические вещества следует переливать, обязательно пользуясь воронкой.

16. При появлении любых вопросов необходимо обращаться к преподавателю.

Лабораторная посуда и оборудование

Правила безопасности при работе с едкими, горючими и токсичными веществами, средствами бытовой химии

К ядовитым веществам относятся:

1. Вещества, раздражающие слизистые оболочки и действующие на кожные покровы: щелочи, кислота, газообразный аммиак, оксиды азота, оксиды серы (VI) и (IV).

2. Вещества, которые воздействуют на нервную систему, например, аммиак, сероводород, бензол и др.

3. Вещества, поражающие кровь и органы: оксид углерода (II), соединения свинца и др.

К горючим веществам относятся бензин, ацетон, метиловый и этиловый спирты, толуол и др.

К едким веществам относятся концентрированные кислоты и щелочи, концентрированные растворы некоторых солей и др.

При работе с горючими, едкими и токсичными веществами необходимо соблюдать следующие правила безопасности:

1. Категорически запрещается сливать в раковину легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, концентрированные растворы кислот и щелочей. Их необходимо собирать в специальные герметические сосуды.

2. Работу с кислотами, твердыми щелочами, едкими и токсичными веществами проводить только в защитных очках и перчатках. При растворении твердых щелочей в воде необходимо добавлять щелочь небольшими порциями в воду, избегая перегревания раствора. Разбавление кислот или щелочей необходимо производить в жаростойкой посуде.

3. Кислота в воду или вода в кислоту? При разбавлении концентрированных кислот и щелочей необходимо небольшими порциями приливать кислоту (или концентрированный раствор щелочи) в воду, а не наоборот. Растворение кислот и щелочей в воде сопровождается выделением большого количества теплоты. Небольшая порция воды может нагреться при добавлении в кислоту, смесь закипит и может попасть на лицо или руки. Поэтому необходимо добавлять небольшое количество кислоты в большое количество воды. 

4. При разливе легковоспламеняющейся или горючей жидкости необходимо отключить все электроприборы и погасить газовые горелки. Место разлива засыпают песком, который затем удаляют с помощью лопатки. Запрещено использовать металлические совки, т.к. они могут дать искру и вызвать пожар.

5. Кислоту, пролитую на пол, нейтрализуют содой, а щелочь нейтрализуют борной кислотой. Для удаления нейтрализованных жидкостей также используют песок. Нейтрализацию и уборку концентрированных кислот необходимо проводить в противогазе.

6. При ожоге кислотой необходимо немедленно промыть пораженное место большим количеством воды. После чего промыть место поражения двухпроцентным раствором соды.

7. При ожоге щелочью необходимо длительное промывание пораженного места под струей воды, затем однопроцентным раствором борной кислоты или уксусной кислоты.

8. При ожоге глаз кислотой или щелочью необходимо немедленно промыть глаза водой длительное время.

9. Работы с токсичными, легковоспламеняющимися или горючими веществами необходимо проводить строго под включенной вытяжкой.

10. Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости запрещено нагревать на открытом пламени. 

11. Запрещено сливать горючие, едкие и токсичные вещества в канализацию. Для их утилизации и слива используют специальные емкости.

12.  Работа с плавиковой кислотой требует особой осторожности и проводится обязательно в вытяжном шкафу. Хранить плавиковую кислоту необходимо в полиэтиленовой таре (угадайте, почему).

13. Щелочные и щелочноземельные металлы необходимо хранить в сосуде, не пропускающем ультрафиолет, под слоем керосина или другого инертного по отношению к этим металлам вещества. При работе с этими металлами необходимо соблюдать осторожность, избегать контакта этих металлов с водой. Запрещается трогать щелочные или щелочноземельные металлы руками. Небольшие остатки таких металлов запрещается выкидывать в канализацию или мусорное ведро. Их необходимо «погасить» этанолом или другим веществом (но не водой!).

При работе со средствами бытовой химии также необходимо соблюдать определенные правила:

1. В обязательном порядке пользуйтесь перчатками при работе с агрессивными средствами бытовой химии. Если вы работаете с хлорсодержащими препаратами, рекомендуется надеть специальные защитные очки из пластика.

2. Не забывайте тщательно удалять остатки чистящих или моющих средств после каждой уборки. Многие порошки состоят из мелких частиц, которые оставаться на поверхностях и вещах. При испарении такие химикаты выделяют ряд вредных веществ.

3. Хранить средства бытовой химии следует в герметично закрытых ёмкостях вдали от источников тепла и прямого солнечного света.

4. Все средства бытовой химии следует применять только по прямому назначению, строго соблюдая инструкции и рекомендации по их использованию.

Перегонка – разделение жидкостей, различающихся по температуре кипения.

Дистилляция – очистка воды от твердых примесей.

2. Разделение жидкостей и твердых веществ
Фильтрование – метод разделения жидкостей и твердых веществ.

Выпаривание – метод разделения жидкостей и твердых веществ.

Декантация – сливание жидкости с отстоявшегося осадка. К ней целесообразно прибегать в тех случаях, когда в сравнительно большом количестве жидкости находится немного твердого вещества, которое легко оседает на дно.

3. Разделение смесей твердых веществ

Сублимация (возгонка) — очистка твердых веществ, способных при нагревании переходить непосредственно из твердой фазы в газообразную, минуя жидкую фазу. Образующийся газ конденсируется охлаждаемой частью прибора. Сублимацию обычно проводят при температуре, близкой к температуре плавления вещества. Возгонкой можно очистить йод, серу, хлорид аммония.

Перекристаллизация. При повышенной температуре готовят насыщенный раствор очищаемого вещества, затем для удаления нерастворимых примесей раствор фильтруют через воронку для горячего фильтрования и охлаждают до низкой температуры. При понижении температуры растворимость вещества понижается, и основная часть очищаемого вещества выпадает в осадок, растворимые примеси остаются в растворе.

Хроматография. Метод разделения и анализа смесей веществ, который основан на распределении веществ между двумя фазами – неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент).

 Понятие о металлургии: общие способы получения металлов

Металлургия — это наука о промышленных способах получения металлов. Различают черную и цветную металлургию.

Черная металлургия — это производство железа и его сплавов (сталь, чугун и др.).

Цветная металлургия — производство  остальных металлов и их сплавов.

Широкое применение находят сплавы металлов. Наиболее распространенные сплавы железа — чугун и сталь.

Чугун — это сплав железа, в котором содержится 2-4 масс. % углерода, а также кремний, марганец и небольшие количества серы и фосфора. 

Сталь — это сплав железа, в котором содержится 0,3-2 масс. % углерода и небольшие примеси других элементов.

Легированные стали — это сплавы железа с хромом, никелем, марганцем, кобальтом, ванадием, титаном и другими металлами. Добавление металлов придает стали дополнительные свойства. Так, добавление хрома придает сплаву прочность, а добавление никеля придает стали пластичность.

Основные стадии металлургических процессов:

1. Обогащение природной руды (очистка, удаление примесей)

2. Получение металла или его сплава.

3. Механическая обработка металла

1. Нахождение металлов в природе

Большинство металлов встречаются в природе в виде соединений. Наиболее распространенный металл в земной коре — алюминий. Затем железо, кальций, натрий и другие металлы.

2. Получение активных металлов

Активные металлы (щелочные и щелочноземельные) классическими «химическими» методами получить из соединений нельзя. Такие металлы в виде ионов — очень слабые окислители, а в простом виде — очень сильные восстановители, поэтому их очень сложно восстановить из катионов в простые вещества. Чем активнее металл, тем сложнее его получить в чистом виде — ведь он стремится прореагировать с другими веществами.

Получить такие металлы можно, как правило, электролизом расплавов солей, либо вытеснением из солей другими металлами в жестких условиях.

Натрий в промышленности получают электролизом расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция:

2NaCl = 2Na + Cl₂

Калий получают пропусканием паров натрия через расплав хлорида калия при 800°С:

KCl + Na = K↑ + NaCl

Литий можно получить электролизом расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl₂ (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

2LiCl = 2Li + Cl₂

Цезий можно получить нагреванием смеси хлорида цезия и специально подготовленного кальция:

Са + 2CsCl = 2Cs + CaCl₂

Магний получают электролизом расплавленного карналлита или хлорида магния с добавками хлорида натрия при 720–750°С:

MgCl₂  →  Mg + Cl₂

Кальций получают электролизом расплавленного хлорида кальция с добавками фторида кальция:

CaCl₂ → Ca + Cl₂

Барий получают из оксида восстановлением алюминием в вакууме при 1200 °C:

4BaO+ 2Al = 3Ba + Ba(AlO₂)₂

Алюминий получают электролизом раствора оксида алюминия Al₂O₃ в криолите Na₃AlF₆:

2Al₂O₃ → 4Al + 3O₂

3. Получение малоактивных и неактивных металлов

Металлы малоактивные и неактивные восстанавливают из оксидов углем, оксидом углерода (II) СО или более активным металлом. Сульфиды металлов сначала обжигают.

3.1. Обжиг сульфидов

При обжиге сульфидов металлов образуются оксиды:

2ZnS + 3O₂ → 2ZnO + 2SO₂

Металлы получают дальнейшим восстановлением оксидов.

3.2. Восстановление металлов углем

Чистые металлы можно получить восстановлением из оксидов углем. При этом до металлов восстанавливаются только оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия. 

Например, железо получают восстановлением из оксида углем:

2Fe₂O₃ + 6C → 2Fe + 6CO

ZnO + C → Zn + CO

Оксиды металлов, расположенных в ряду электрохимической активности до алюминия, реагируют с углем с образованием карбидов металлов:

CaO + 3C → CaC₂ + CO

3.3. Восстановление металлов угарным газом

Оксид углерода (II) реагирует с оксидами металлов, расположенных в ряду электрохимической активности после алюминия. 

Например, железо можно получить восстановлением из оксида с помощью угарного газа:

2Fe₂O₃ + 6CО → 4Fe + 6CO₂

3.4. Восстановление металлов более активными металлами

Более активные металлы вытесняют из оксидов менее активные.  Активность металлов можно примерно оценить по электрохимическому ряду металлов:

Восстановление металлов из оксидов другими металлами — распространенный способ получения металлов. Часто для восстановления металлов применяют алюминий и магний.  А вот щелочные металлы для этого не очень подходят – они слишком химически активны, что создает сложности при работе с ними.

Например, цезий взрывается на воздухе.

Алюмотермия – это восстановление металлов из оксидов алюминием.

Например: алюминий восстанавливает оксид меди (II) из оксида:

3CuO + 2Al  =  Al₂O₃ + 3Cu

Магниетермия – это восстановление металлов из оксидов магнием.

CuO + Mg = Cu + MgO 

Железо можно вытеснить из оксида с помощью алюминия:

2Fe₂O₃ + 4Al → 4Fe + 2Al₂O₃

При алюмотермии образуется очень чистый, свободный от примесей углерода металл.

Активные металлы вытесняют менее активные из растворов их солей.

Например, при добавлении меди (Cu) в раствор соли менее активного металла – серебра (AgNO₃) произойдет химическая реакция:

2AgNO₃ + Cu = Cu(NO₃)₂ + 2Ag

Медь покроется белыми кристаллами серебра.

При добавлении железа (Fe) в  раствор соли меди (CuSO₄) на железном гвозде появился розовый налет металлической меди:

CuSO₄  + Fe = FeSO₄ + Cu

При добавлении цинка в раствор нитрата свинца (II) на цинке образуется слой металлического свинца:

Pb(NO₃)₂  + Zn = Pb + Zn (NO₃)₂

3.5. Восстановление металлов из оксидов водородом

Водород восстанавливает из оксидов только металлы, расположенные в ряду активности правее алюминия. Как правило, взаимодействие оксидов металлов с водородом протекает в жестких условиях – под давлением или при нагревании.

CuO + H₂ = Cu + H₂O

4. Производство чугуна

Чугун получают из железной руды в доменных печах.

Печь последовательно загружают сверху шихтой, флюсами, коксом, затем снова рудой, коксом и т.д.

1- загрузочное устройство, 2 — колошник, 3 — шахта, 4 — распар, 5 — горн, 6 — регенератор

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Верхняя часть доменной печи — колошник, средняя — шахта, а нижняя часть — распар.

В нижней части печи находится горн. Внизу горна скапливается чугун и шлак и отверстия, через которые чугун и шлак покидают горн: чугун через нижнее, а шлак через верхнее. 

Наверху печи расположено автоматическое загрузочное устройство. Оно состоит из двух воронок, соединенных друг с другом. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а затем в нижнюю.

Из нижней воронки руда и кокс поступают в печь. во время загрузки руды и кокса печь остается закрытой, поэтому газы не попадают в атмосферу, а попадают в регенераторы. В регенераторах печной газ сгорает. 

Шихта — это железная руда, смешанная с флюсами.

Снизу в печь вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

C + O₂ = CO₂

Образующийся углекислый газ поднимается вверх и окисляет кокс до оксида углерода (II):

CO₂ + С = 2CO

Оксид углерода (II) (угарный газ) — это основной восстановитель железа из оксидов в данных процессах. Последовательность восстановления железа из оксида железа (III):

Fe₂O₃ → Fe₃O₄ (FeO·Fe₂O₃) → FeO → Fe

Последовательность восстановления оксида железа (III):

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

Суммарное уравнение протекающих процессов:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

При этом протекает также частичное восстановление примесей оксидов других элементов (кремния, марганца и др.). Эти вещества растворяются в жидком железе.

Чтобы удалить из железной руды тугоплавкие примеси (оксид кремния (IV) и др.). Для их удаления используют флюсы и плавни (как правило, известняк CaCO₃ или доломит CaCO₃·MgCO₃). Флюсы разлагаются при нагревании:

CaCO₃ → CaO + CO₂

и образуют с тугоплавкими примесями легкоплавкие вещества (шлаки), которые легко можно удалить из реакционной смеси:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Получение аммиака

В промышленности аммиак получают по методу Габера – прямым взаимодействием азота и водорода в реакционной колонне:

N₂    +    3Н₂    ⇄    2NH₃

Реакция азота с водородом обратимая, экзотермическая, гомогенная (газофазная). Для увеличения выхода аммиака необходимо смещать равновесие в сторону продукта. Согласно принципу Ле-Шателье, для смещения равновесия вправо в данной реакции необходимо повышать давление и понижать температуру. Однако низкая температура уменьшит скорость реакции.

Поэтому для повышения скорости реакции температура в процессе поддерживается все-таки высокой, 500-550^оС и в присутствии катализатора.

А для смещения равновесия применяют очень высокие давления 15-30 МПа.

В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непровзаимодействовавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Рассмотрим процессы, протекающие на разных участках производства аммиака:

1 этап. Трубопровод. В трубопровод подается предварительно подготовленная азотно-водородная смесь (N₂:Н₂=1:3) в соотношении 1 к 3.

2 этап. Турбокомпрессор. Турбокомпрессор используется для сжатия исходной смеси газов с целью повышения давления. Синтез аммиака проводится при очень высоком давлении (15-30 МПа, или 150-300 атм).

3 этап. Колонна синтеза. В колонне синтеза (контактном аппарате) производится синтез аммиака. Азотно-водородная смесь продавливается через  полки с катализатором. Процесс синтеза протекает обратимо (т.е. частично) и является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла. Часть выделяющегося тепла расходуется на нагревание поступающей азотоводородной смеси с помощью теплообменников. Смесь, выходящая из колонны синтеза в холодильник, состоит из аммиака (20-30%) и не прорегировавших азота и водорода.

4 этап. Холодильник. В холодильнике реакционная смесь, которая выходит из колонны синтеза, охлаждается и направляется на дальнейшее разделение в сепаратор.

5 этап. Сепаратор. После прохождения холодильника температура реакционной смеси значительно снижается, и аммиак переходит в жидкую фазу. В сепараторе происходит разделение реакционной смеси, жидкий аммиак отделяют от азота и водорода и отправляют на склад.

6 этап. Циркуляционный насос. Циркуляционный насос возвращает не прореагировавшую смесь азота и водорода в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаѐтся довести использование азотводородной смеси  (конверсию) до 95%.

Производство серной кислоты

Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита (серного колчедана) FeS₂.

Основные стадии получения серной кислоты :

• Сжигание или обжиг серосодержащего сырья в кислороде с получением сернистого газа.

• Очистка полученного газа от примесей.

• Окисление сернистого газа в серный ангидрид.

• Взаимодействие серного ангидрида с водой.

Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):

Общие научные принципы химического производства:

1. Непрерывность.

2. Противоток

3. Катализ

4. Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ.

5. Теплообмен

6. Рациональное использование сырья

Производство метанола

Метанол CH₃OH, метиловый спирт – это органическое вещество, предельный одноатомный спирт.

Общая формула предельных нециклических одноатомных спиртов: C_nH_2n+2O. 

Строение метанола

В молекулах спиртов, помимо связей С–С и С–Н, присутствуют ковалентные полярные химические связи О–Н и С–О.

Электронная плотность обеих связей смещена к более электроотрицательному атому кислорода:

В образовании химических связей с атомами C и H участвуют две 2sp³-гибридные орбитали, а еще две 2sp³-гибридные орбитали заняты неподеленными электронными парами атома кислорода.

Поэтому валентный угол C–О–H близок к тетраэдрическому и составляет почти 108^о.

Водородные связи и физические свойства метанола

Спирты образуют межмолекулярные водородные связи. Водородные связи вызывают притяжение и ассоциацию молекул спиртов:

Поэтому метанол – жидкость с относительно высокой температурой кипения (температура кипения метанола +64,5^оС).  

Водородные связи образуются не только между молекулами метанола, но и между молекулами метанола и воды. Поэтому метанол очень хорошо растворимы в воде. Молекулы метанола в воде гидратируются:

Метанол смешивается с водой в любых соотношениях.

Изомерия метанола

Для  метанола не характерно наличие структурных изомеров –  ни изомеров углеродного скелета, ни изомеров положения гидроксильной группы, ни межклассовых изомеров.

Химические свойства метанола 

Метанол – органическое вещество, молекула которого содержит, помимо углеводородной цепи, одну группу ОН.

1. Кислотные свойства метанола

1.1. Взаимодействие с раствором щелочей

Метанол с растворами щелочей практически не реагирует, т. к. образующиеся алкоголяты почти полностью гидролизуются водой.

Равновесие в этой реакции так сильно сдвинуто влево, что прямая реакция не идет. Поэтому метанол не взаимодействуют с растворами щелочей. 

1.2. Взаимодействие с металлами (щелочными и щелочноземельными)

Метанол взаимодействуют с активными металлами (щелочными и щелочноземельными). При этом образуются алкоголяты. При взаимодействии с металлами спирты ведут себя, как кислоты.

2CH₃-OH + 2K → 2CH₃OK + H₂

Метилаты под действием воды полностью гидролизуются с выделением спирта и гидроксида металла.

CH₃OK + H₂O  → CH₃-OH + KOH  

2. Реакции замещения группы ОН

2.1. Взаимодействие с галогеноводородами

При взаимодействии метанола с галогеноводородами группа ОН замещается на галоген и образуется галогеналкан.

CH₃-OH + HBr → CH₃Br + H₂O

2.2. Взаимодействие с аммиаком

Гидроксогруппу спиртов можно заместить на аминогруппу при нагревании спирта с аммиаком на катализаторе.

CH₃-OH + NH₃ → CH₃NH₂ + H₂O

2.3. Этерификация (образование сложных эфиров)

Метанол вступает в реакции с карбоновыми кислотами, образуя сложные эфиры.

CH₃-OH + CH₃COOH → CH₃COOCH₃ + H₂O

2.4. Взаимодействие с кислотами-гидроксидами

Спирты взаимодействуют и с неорганическими кислотами, например, азотной или серной.

CH₃-OH + HNO₃ → CH₃ONO₂ + H₂O

3. Реакции замещения группы ОН 

В присутствии концентрированной серной кислоты от метанола отщепляется вода. Процесс дегидратации протекает по двум возможным направлениям: внутримолекулярная дегидратация и межмолекулярная дегидратация.

3.1. Межмолекулярная дегидратация

При низкой температуре (меньше 140^оС) происходит межмолекулярная дегидратация по механизму нуклеофильного замещения: ОН-группа в одной молекуле спирта замещается на группу OR другой молекулы. Продуктом реакции является простой эфир.

2CH₃-OH  → CH₃OCH₃ + H₂O

4. Окисление метанола

Реакции окисления в органической химии сопровождаются увеличением числа атомов кислорода (или числа связей с атомами кислорода) в молекуле и/или уменьшением числа атомов водорода (или числа связей с атомами водорода).

В зависимости от интенсивности и условий окисление можно условно разделить на каталитическое, мягкое и жесткое.

Типичные окислители — оксид меди (II), перманганат калия KMnO₄, K₂Cr₂O₇, кислород в присутствии катализатора.

Легкость окисления спиртов уменьшается в ряду:

метанол