Что же представляют собой научные основы современной химической индустрии?

В течение последних пятидесяти лет на основе внедрения в химическую технологию достижений физической химии, а также обобщения наших знаний о химических производствах оформилась общая химическая технология, раскрывшая научные основы химической индустрии в единстве с освещением научных основ типичных химических производств (работы Крупского, Коновалова, Кирова, Маковецкого, Шабалина, Вольфковича, Эпштейна, Егорова и др.). Эти успехи общей технологии могут быть использованы при определении содержания знаний по основам химического производства, которые следует дать в курсе химии.

В химическом производстве, как и в любом другом производстве, мы находим три главные стороны:

предметы труда, подвергающиеся обработке;

механические и автоматические орудия труда (машины, аппараты, технические устройства), осуществляющие превращение предметов труда в готовые продукты и доставляющие для этого необходимый вид энергии;

труд людей, заключающийся в проектировании и планировании производства, управлении превращением предметов труда в продукты посредством механических и автоматических орудий труда, в контроле, учете и рационализации производства.

Производственный процесс возникает и существует только тогда, когда эти три стороны производства приведены во взаимодействие (рис. 1). Он осуществляется экономически успешно, если достигаются высокая производительность труда и низкая себестоимость продукции.

Особенностью современного машинного производства является то, что превращение предмета труда в готовый продукт расчленяется на стадии независимо от руки рабочего; это расчленение осуществляется в зависимости от сущности процессов превращения исходных материалов в продукт, раскрытых естествознанием и технологией, от характера приспособленных для этого машин, аппаратов и технических устройств.

image1

Рис. 1. Элементы химического производства в их взаимосвязи.

Это означает, что без знания сущности процесса превращения исходных материалов в химические продукты нельзя понять ни технической организации производства (разделения его на стадии), ни его техники (машин и аппаратов), ни его технологии.

Специфика химического производства в сравнении с другими отраслями производства состоит в том, что в основе превращения предмета труда в готовый продукт лежит применение химических реакций.

Химические реакции используются не только в химическом производстве. Они применяются и в энергетике (сжигание топлива), и в механическом производстве (покрытие металлов для предохранения от коррозии), и в сельском хозяйстве (применение удобрений, инсектофунгицидов), и в других отраслях. Но в то время как в химическом производстве эти реакции составляют специфику производства, в других отраслях производства они имеют подчиненное значение.

Химические реакции играют главную и решающую роль в превращении минерального сырья в кислоты, щелочи и соли, руд — в чистые металлы и сплавы; каменного угля — в горючие газы, кокс, бензол, толуол и т. д.; нефти — в бензин, керосин, лигроин и смазочные масла; известняков, песка и глины — в цемент, стекло, керамические и другие силикатные изделия и т. д. Поэтому и металлургия, и коксохимия, и промышленность по переработке нефти, и силикатная промышленность и другие производства, а не только химическая промышленность относятся к химическому производству.

Для обеспечения высокой производительности труда и низкой себестоимости продукции в химическом производстве, как и в любой другой отрасли производства, применяются электрификация, комплексная механизация и автоматизация, непрерывный поток, стандартизация, специализация и кооперирование.

В химическом производстве применяются также специфические для него принципы осуществления производственных процессов, порождаемые своеобразием технологического процесса, ведущие к высокой производительности труда и низкой себестоимости продукции.

Химическая технология как наука о химическом производстве открыла, что для обеспечения высокой производительности труда и низкой себестоимости продукции химические реакции в производстве надо проводить с оптимальной скоростью, при достижении экономически выгодной полноты использования исходных и промежуточных материалов, т. е. при обеспечении высоких выходов продукции.

Опираясь на учение о равновесии и скорости химических реакций, об условиях, влияющих на изменение равновесия и скорости (другими словами, на закономерности течения реакций, раскрытые физической химией), химическая технология показала, что оптимальные скорости реакций и полнота использования реагирующих веществ в производстве достигаются тогда, когда реакции осуществляются при соблюдении следующих главных принципов:

Повышение концентраций реагирующих веществ при избыточной концентрации одного из дешевых реагентов. Применение высоких концентраций позволяет повышать скорость и сдвигать равновесие химических реакций в сторону получения необходимого продукта с экономически выгодным выходом его. В технике это достигается разными способами, в том числе применением обогащения сырья (флотация, магнитная сепарация и др.), высоких давлений для газов, высоких концентраций для растворов, противотока и циркулярных процессов в движении реагентов и т. д.

Применение оптимальных температур. Благодаря применению оптимальных температур можно сдвинуть равновесие химической реакции в сторону получения необходимого вещества и при этом обеспечить большую скорость реакции и хороший выход продукта. В технике для получения оптимальных температур прибегают к различным способам нагревания реагирующих материалов или, наоборот, к охлаждению их, используя не только нарочитое нагревание и охлаждение, но и тепло, выделяющееся при реакциях, разность в температурах веществ, обращающихся в производстве (теплообмен).

Применение положительных или отрицательных катализаторов. Это приводит или к огромному ускорению реакций (в случае положительных катализаторов), или к замедлению реакций (в случае отрицательных катализаторов), но в том и другом случае к достижению оптимальной скорости реакции, выгодной для производства.

Оптимальное развитие поверхности реагирующих веществ. Химические реакции протекают между молекулами и ионами. Поэтому увеличение поверхности реагирующих веществ ведет к увеличению числа столкновений взаимодействующих частиц и, следовательно, к возрастанию выхода продукта в единицу времени. Именно поэтому в химической технике реакции стараются проводить или в газовой фазе, или в растворах, или при оптимальном измельчении твердых веществ.

Согласно этим принципам (при учете, разумеется, специфических особенностей исходных материалов, промежуточных и конечных продуктов) создается вся непрерывно действующая система механизированных и автоматизированных орудий химического производства, вырабатывается режим их работы, организуются контроль и техническое управление производством.

Результаты изучения химического производства выражены в общей химической технологии в системе следующих понятий:

о продуктах химического производства (состав, свойства и применение для химизации народного хозяйства);

о химическом сырье (состав, свойства, добыча, обогащение);

о химических реакциях, лежащих в основе производства, об их скорости и равновесии, об общих принципах проведения химических реакций в производстве, обеспечивающих достижение высокой производительности труда и низкой себестоимости продукции;

о технологическом процессе и расчленении его на стадии з зависимости от сущности химических реакций, условий их течения и применяемых для их проведения механизированных и автоматизированных орудий труда;

об устройстве и принципах действия типичных аппаратов, применяемых в производстве;

о профессиях рабочих, охране их труда.

Поэтому, чтобы знать основы химической индустрии, учащиеся, оканчивающие среднюю школу, должны иметь понятия о продукции, сырье, технологических процессах, технике и организации труда химического производства.

Формировать эти понятия без изучения отдельных химических производств в средней школе невозможно. Общее можно познать и осмыслить только в неразрывной связи с частным и через него. Подобно тому как в науке общие понятия о производстве возникли в результате обобщения знаний о конкретных производствах, так и в процессе обучения формирование общих понятий надо вести на базе конкретного ознакомления учащихся с технологией и техникой отдельных химических производств.

Однако с каждым годом число химических производств увеличивается, так как непрерывно растет потребность народного хозяйства в новых химических продуктах. Все производства изучить в средней школе невозможно. Поэтому для изучения в школе надо выбрать те, которые удовлетворяют требованиям, вытекающим из сущности политехнического обучения, и отвечают особенностям средней школы. Очевидно, это должны быть такие производства,

которые выпускают основные химические продукты, необходимые для развития народного хозяйства нашей страны, и дают представление о ее химизации;

где принципы химической обработки материалов реализуются наиболее высокоразвитым техническим способом и потому позволяют познакомить учащихся с передовой химической техникой и технологией;

которые доступны для понимания учащихся, могут быть основательно изучены в отведенное по учебному плану время, так как опираются на знания, приобретенные при изучении химии;

изучение которых действительно расширяет политехнический кругозор учащихся.

Согласно выдвинутым выше принципам в программу по химии целесообразно включить изучение следующих отдельных химических производств:

основная химическая промышленность — производство соляной и серной кислот, аммиака, азотной кислоты, нитрата аммония и суперфосфата;

силикатная промышленность — производство цемента, стекла и различных керамических изделий;

металлургия — производство чугуна, стали и алюминия;

электрохимическая промышленность — производство едкого натра;

коксохимия и газификация твердого топлива— производство кокса, коксового газа, каменноугольной смолы, ароматических углеводородов, воздушного и водяного газа;

переработка нефти — перегонка, термический и каталитический крекинг, производство жидкого топлива и смазочных масел, производство этилового спирта из этилена;

промышленность тяжелого органического синтеза — производство синтетической уксусной кислоты, некоторых пластмасс, каучуков, искусственных и синтетических волокон.

Перечисленные отрасли химического производства снабжают народное хозяйство средствами производства, имеющими огромное значение для его развития. На примере указанных выше производств можно в яркой форме познакомить учащихся с химическим сырьем, с типичными процессами и аппаратами химической индустрии, с применением в ней высоких концентраций, оптимальных температур и давлений, активных катализаторов, электричества, а также познакомить с основными профессиями химического производства.

В средней школе, как доказано практикой, следует проводить изучение одного за другим отдельных производств и в процессе этого изучения постепенно подводить учащихся к обобщениям, относящимся ко всей химической индустрии. С отдельными химическими производствами, как правило, следует знакомить по такому плану, чтобы не только хорошо раскрывались все основные признаки понятий об этих производствах, но чтобы вместе с тем по каждому вопросу плана собирался материал, необходимый для раскрытия содержания общих понятий. Этому требованию удовлетворяет следующий план:

состав, свойства и народнохозяйственное значение продукта;

1) состав и свойства исходных материалов;

2) сущность химических реакций, посредством которых исходные материалы превращаются в продукт, условия протекания их и управления ими;

3) главные стадии и процессы производства;

4) аппараты, применяемые на главных стадиях производственного процесса, их устройство и действие;

5) принципы осуществления производственного процесса на каждой главной стадии производства, общие для химического производства в целом;

6) профессии рабочих, занятых в производстве.

7) научно-технический прогресс в данном производстве.

Этим планом предусмотрено изучение главным образом химико-технической стороны химического производства. Физико-механическая и общественно-экономическая стороны его в этом плане не учтены.

Конечно, изучать по этому плану все производства не следует, так как в этом случае без всякой к тому необходимости мы загрузили бы курс химии техническими деталями, вызвали бы перегрузку учащихся учебной работой, допустили бы ненужные повторения. Разумеется, мы должны знакомить учащихся с продукцией, сырьем и химическими процессами всех отобранных выше производств, так как без этих знаний нельзя создать даже самых общих понятий о них. Но сведения о технологических процессах можно давать уже на меньшем числе отдельных производств, а с типичной химической аппаратурой можно ознакомить учащихся на примере еще меньшего числа производств, но таких, где современная техника представлена наиболее ярко и полно.

Исходя из этого, все производства, которые следует изучать в школе, разделены нами (см. таблицу 2) на две группы:

изучаемые наиболее всесторонне и глубоко (по всему плану);

изучаемые кратко, без освещения вопросов технологии и техники производства и главных профессий.

В каком же отношении к основному материалу химической науки и в какой последовательности целесообразно формировать производственные понятия?

Так как в общеобразовательной школе преподается учебный предмет, называемый химией, а не химической технологией, и так как в основе химической технологии лежит химия, без знания основ которой нельзя понять химическую технологию, то система раскрытия содержания химии является определяющей. Технологический материал дается учащимся по ходу изложения химических знаний и именно тогда, когда для понимания этого материала накапливаются необходимые химические сведения.

Ознакомление учащихся с новыми данными (состав, свойства и применение веществ), с новыми химическими теориями (периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, теория строения атомов, ионная теория, теория химического строения А. М. Бутлерова) позволяет все глубже и разностороннее изучать химическое производство. Поэтому подход к изучению химических производств изменяется не только в связи с образованием и развитием общих понятий о химической индустрии, но и с развитием общих химических знаний. Вследствие этого частные и общие понятия о химическом производстве развиваются как бы по спирали, становясь при этом более глубокими и конкретными. Понятие о производстве соляной кислоты дается на базе сведений о кислотах, основаниях, солях и атомно-молекулярной теории. Понятия о производстве щелочей, алюминия, чугуна и стали, серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, нитрата аммония даются уже на базе периодического закона, ионной и электронной теории, т. е. более глубоко. Производство уксусной кислоты изучается уже на базе всего материала теоретической химии, знаний об углеводородах, спиртах, альдегидах и карбоновых кислотах, на базе теории химического строения, т. е. еще более глубоко и всесторонне.

В таблице 2 приведена система понятий о химическом производстве в той последовательности, как ее следует формировать в процессе обучения химии.

Таблица 2, если рассматривать ее по горизонтали, раскрывает содержание понятий об отдельных химических производствах, а по вертикали показывает, какой материал накапливается при изучении отдельных производств для постепенного формирования у учащихся общих понятий о химическом производстве, как постепенно формируются эти общие понятия, как они становятся более богатыми по содержанию и широкими по объему.

Постепенно накапливается материал для расширения и углубления содержания понятия «химический продукт». Учащиеся знакомятся с многообразием продуктов, с разделением всех продуктов на две группы — реагенты и материалы, с применением продуктов производства в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и строительства, с составом и свойствами продуктов, обусловливающими области и характер их применения.

Создаются объективные условия для образования и развития понятия о химическом сырье: многообразии его, разделении его на две группы — минеральное сырье и сырье растительное и животное, добыче и первичной подготовке сырья к химической переработке (сортировка, обогащение, дробление и пр.), составе и свойствах сырья.

Основательно развивается понятие о химических реакциях, используемых в производстве: многообразие реакций (реакции окисления и восстановления, термического разложения, обмена и другие), скорость и равновесие химических реакций, условия течения их и принципы управления ими.№

п/п

Название про­изводства

Продукт (состав, свойства и народно­хозяйственное значе­ние)

Исходные матери­алы (состав, свойства)

Химические реакции, лежащие в основе производства

Главные стадии и процессы производства

Типичные аппараты на главных стадиях производства. их устройство и действие

Общие принципы производства

Профессии

Тема и вопрос программы, в процессе изучения которых учащиеся знакомятся с данным производством

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

VII класс

1

Очистка воды

Питьевая и ди­стиллированная вода для произ­водства и нужд населения

Вода рек и озер

Фильтрование,

перегонка

Песочный фильтр. Перегонные аппараты

Непрерывность. Противоток

«Вода. Растворы». Очистка воды

2

Производство

извести

Жженая известь для строительной и химической промышленности

Известняк,

топливо

Термическое раз­ложение извест­няка

Дробление известняка Загрузка. Обжиг известняка. Выгрузка

Известково-обжигательная печь

Непрерывный поток. Противоток. Применение оптимальных температур

Аппаратчик

«Окислы, основания, кислоты, соли»

VIII класс

Что такое современная химическая промышленность. Развитие химичес­кой промышленности за годы Советской власти. Программа Коммунисти­ческой партии о развитии химической промышленности в СССР. Хими­ческая промышленность и химизация сельского хозяйства в данном эко­номическом районе

IX класс

3

Производство синтетической соляной кис­лоты

Соляная кислота для химической и пищевкусовой промышленности

Водород и хлор

Соединение хлора с водородом

Получение хлористого водорода. Поглощение его водой

Печь для сжигания водорода в хлоре. Поглотительная башня

Непрерывность. Противоток. Оптимальное развитие поверхности соприкосновения реагентов

Аппаратчик

«Галогены».

Соляная

кислота

X класс

4

Производство алюминия электрохими­ческим мето­дом

Алюминий для машиностроения, авиации и быта

Боксит, крио­лит, окись алюминия

Электролиз окиси алюминия

Электролиз окиси алюминия

Электролизер

Непрерывность. Применение оптимальных температур и электричества

Электросварщик

«Металлы».

Алюминий

5

Производство чугуна и стали

Чугун и сталь для всех отраслей народного хозяйства

Руды железа, кокс, флюсы, воздух и различные присадки

Образование окиси углерода, восстановление ею железа из руды; взаимодействие пустой породы и шлака с флюсами и др.

Подготовка и засыпка шихты. Выплавка чугуна. Нагревание воздуха. Бессемеровский процесс. Мартеновский процесс. Кислородное дутье. Выплавка стали в электропечах

Доменная печь. Воздухонагреватель. Бессемеровский конвертер. Мартеновская печь. Электропечь

Непрерывный поток в производстве чугуна. Периодичность в производстве стали. Противоток. Применение оптимальных температур. Теплообмен

Доменщик. Горновой. Лаборант

«Металлы».

Железо

6

Производство щелочей и хлора электролитическим способом

Едкий натр, хлор для химической, текстильной и других отраслей производства

Хлористый натрий, хлористый калий, вода

Электролиз раствора хлористого натрия или хлористого калия

Приготовление растворов. Электролиз. Упаривание щелоков

Электролитическая ванна с диафрагмой

Непрерывный поток. Внедрение электричества в технологические процессы

Аппаратчик. Лаборант

«Металлы». Электролиз

7

Производство серной кислоты

Серная кислота для металлургической, химической, нефтеперегонной и других отраслей промышленности

Железный колчедан, флотационные хвосты, вода, воздух

Обжиг железного колчедана, окисление SO2 в SO3, поглощение его серной кислотой. Понятие о скорости химических реакций и условиях, влияющих на изменение ее

Получение сернистого газа. Окисление сернистою газа в серный ангидрид. Получение серной кислоты

Печь для обжига колчедана. Печь для сжигания колчедана в пылевидном состоянии. Печь для обжига в кипящем слое. Контактный аппарат с теплообменником. Поглотительная, промывная и сушильная башни

Оптимальное развитие поверхности реагирующих веществ. Непрерывный поток. Противоток. Избыточная концентрация одного из реагентов. Применение оптимальных температур. Применение катализаторов

Аппаратчик. Лаборант

«Кислород и сера». Серная кислота

8

Производство

аммиака

Аммиак для туковой, азотнокислотной и других отраслей промышленности

Воздух, вода, каменный уголь

Соединение азота с водородом. Понятие о химическом равновесии и условиях направленного изменения

Получение азота и водорода, приготовление азотоводородной смеси и сжатие ее. Синтез аммиака и отделение его от азотоводородной смеси

Колонна синтеза. Холодильник. Сепаратор

Непрерывный поток. Применение высоких давлений. Противоток. Теплообмен. Применение оптимальных температур. Применение катализаторов.

Применение циркуляционных процессов. Непрерывный поток. Применение катализаторов. Применение оптимальных температур. Теплообмен. Противоток

Оператор. Машинист. Аппаратчик. Лаборант

«Азот и фосфор». Аммиак

9

Производство азотной кислоты

Азотная кислота для туковой, анилокрасочной, оборонной и других отраслей промышленности

Аммиак, воздух, вода

Окисление аммиака и поглощение окислов азота водой

Окисление аммиака до окиси азота. Окисление окиси азота в двуокись азота и поглощение ее водой

Контактный аппарат. Поглотительная башня

Аппаратчик. Лаборант

«Азот и фосфор». Азотная кислота

Обобщение всего пройденного материала.

Научные принципы химического производства

10

Производство

аммиачной

селитры

Нитрат аммония для сельского хозяйства, для добычи руд, строительства

Аммиак, азотная кислота

Соединение аммиака с азотной кислотой

Получение нитрата аммония. Грануляция его

Аппарат для получения нитрата аммония. Грануляционная башня

Непрерывность. Теплообмен. Применение оптимальных температур

Аппаратчик. Лаборант

«Азот и фосфор». Соли азотной кислоты

XI класс

11

Производство силикатных материалов и изделий

Цемент, стекло и керамика для строительной промышленности и для других отраслей производства

Глина, известняк, песок, сода, топливо, воздух и вода

Химические реакции, лежащие в основе производства стекла

«Углерод и кремний». Силикатная промышленность

12

Производство

нефтепродуктов

Бензин, керосин, лигроин и газойль для двигателей и смазочные масла для всех отраслей производства

Нефть

Термическое разложение углеводородов или каталитическое разложение их

Перегонка нефти, или крекинг ее. Ректификация

Трубчатая печь. Ректификационная колонна

Непрерывный поток. Применение оптимальных температур, давлений и активных катализаторов. Противоток

Аппаратчик. Лаборант

«Органическая химия». Нефть

13

Коксохимическое производство

Кокс, коксовый газ, аммиачная вода, соли аммония, каменноугольная смола (бензол, толуол, нафталин и другие вещества) для металлургической и химической промышленности, сельского хозяйства и быта

Каменный

уголь

Термическое разложение каменного угля

Подготовка шихты и загрузка печей. Термическое разложение каменного угля. Удаление из печи коксового пирога. Тушение кокса. Очистка коксового газа. Переработка аммиачной воды. Переработка каменноугольной смолы

Коксовая печь

Периодичность действия печи. Применение оптимальной температуры. Использование тепла посредством регенераторов

Аппаратчик. Машинист

«Органическая химия» Термическое разложение каменного угля

14

Производство

синтетической

уксусной

кислоты

Уксусная кислота для промышленности органического синтеза и для пищевкусовой промышленности

Известняк, уголь, вода, воздух

Разложение известняков, взаимодействие окиси кальция с углем, взаимодействие карбида кальция с водой, соединение ацетилена с водой, окисление уксусного альдегида

Получение карбида кальция. Получение ацетилена. Получение уксусного альдегида. Получение уксусной кислоты

Электропечь для получения карбида кальция. Генератор для получения ацетилена

Противоток. Циркуляционный процесс.

Применение катализаторов и оптимальных температур

Аппаратчик

«Органическая химия» Уксусная кислота

15

Производство

синтетических

полимеров

а) Бутадиен- стирольный каучук

б) Фенолформальдегидные пластмассы

в) Волокно капрон

Бутадиен, стирол

Фенол, формальдегид

Аминокапроновая кислота

Реакция сополимеризации

Реакция поликонденсации

Реакция поликонденсации

«Органическая

химия»

Углеводороды. Альдегиды Азотсодержащие органические вещества