В начале урока производится опрос учащихся по следующим вопросам:

1). Изложить сведения о применении серной кислоты в химической промышленности. Почему серная кислота получила такое широкое применение? 2). В каких других отраслях производства и для чего еще применяется серная кислота? 3). Для получения фосфорной кислоты применяются фосфорнокислый кальций и серная кислота. Написать уравнение реакции получения фосфорной кислоты. Рассчитать, сколько серной кислоты придется затратить, чтобы получить 1 т фосфорной кислоты. 4). Плавиковая кислота получается растворением фтористого водорода в воде Как получить плавиковую кислоту, используя фтористый кальций?

Далее излагается новый материал.

Чтобы получить серную кислоту из некоторых природных материалов, содержащих серу, например из железного колчедана, сначала получают сернистый газ, который затем окисляют в серный ангидрид:

4FeS2+ 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 ↑

2SO2 + O2 = 2SO3

и, наконец, серный ангидрид гидратируют:

H2O + SO3 = H2SO4.

Такова общая схема производства.

Как же получается сернистый газ на сернокислотном заводе?

Сырьем для получения сернистого газа является железный колчедан FeS2. (Учащиеся рассматривают образцы железного колчедана, выставленные в баночках на столах.)

Если в железном колчедане в качестве примеси содержится больше 1,5% меди, то из него выгоднее выделить сначала соединения меди для переработки в медь. На медеплавильных заводах отделение железного колчедана от соединений меди производится методом флотации.

С методом флотации учащиеся знакомятся на следующем опыте: на листе бумаги приготовляют тонкую смесь серы с песком. В банку с водой наливают немного растительного масла или бензола и в эту смесь из газометра пропускают воздух (стеклянная трубка опускается почти до дна банки), чтобы образовалась пена; если газометра нет, то воздух продувают пульверизационной грушей. Не прекращая пропускания воздуха, в жидкость бросают щепотками смесь серы и песка. Пылинки серы поднимаются на поверхность раствора, а песок частично оседает на дно, а частично некоторое время остается во взмученном состоянии и потом оседает. Происходит разделение серы и песка. Разделение основано на том, что песок смачивается водой, а сера не смачивается водой, к частицам серы прилипают пузырьки воздуха, заключенные в масляную пленку, и поднимают серу на поверхность жидкости. Явление, которое было показано в этом опыте, называется флотацией; оно заключается в отделении веществ, смачивающихся водой, от веществ, ею не смачивающихся. Флотация — метод обогащения сырья, т. е. повышения в нем содержания вещества, служащего исходным для химического процесса,— широко применяется в современном химическом и металлургическом производствах.

На обогатительных фабриках для отделения железного колчедана от сернистых соединений меди медную руду измельчают в мелкую пыль и затем высыпают в флотационные машины (демонстрируются рисунки, изображающие внешний вид и разрез машины).

Резервуар машины наполняется водой с примесью веществ, образующих пену (сосновое масло, деготь и др.), а также веществ, затрудняющих смачивание водой минералов, содержащих медь, и облегчающих смачивание водой железного колчедана. При продувании воздуха через эту смесь омасленные пузырьки его прилипают к минералам, не смачивающимся водой, и поднимают их наверх. Пирит же оседает на дно. Этот осадок собирают и высушивают. Получается мелко раздробленный железный колчедан, который называют флотационными хвостами Для заводов цветной металлургии флотационные хвосты являются отходом производства, а для сернокислотной промышленности они являются ценным сырьем.

Одному из учащихся предлагается изложить все, что было сообщено учителем о сырье для производства сернистого газа.

Затем учитель приступает к рассмотрению реакции, лежащей в основе получения сернистого газа на заводах.

Чтобы получить сернистый газ, железный колчедан подвергают обжигу. При этом сера выгорает, превращается в сернистый газ, а железо окисляется до окиси железа:

4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2 ↑

Учащимся предлагается подумать над тем, как произвести обжиг железного колчедана в лаборатории, какой прибор взять для этой цели.

Опыт показывает, что даже учащиеся VIII класса вносят очень хорошие предложения: «Поджечь колчедан в пламени горелки. Кусочек колчедана держать щипцами. Сернистый газ можно обнаружить по запаху»; «Поместить железный колчедан в чашку и нагреть. Сера будет окисляться. Выделяющийся сернистый газ можно обнаружить по запаху»; «Поместить железный колчедан в трубку и зажать ее в штативе в наклонном положении. Нагревать. Нагретый воздух будет расширяться и подниматься вверх. Возникнет течение воздуха. Колчедан будет обжигаться». «Можно присоединить стеклянную трубку с колчеданом к банке, а банку — к водоструйному насосу, Возникнет движение воздуха. При нагревании колчедан будет обжигаться. Сернистый газ вместе с остатком воздуха будет собираться в банке. Если понюхать, то можно будет обнаружить в банке сернистый газ».

Предложения иллюстрируются рисунками на доске.

Рассмотрев все предложения и выбрав одно из них (последнее), учитель демонстрирует опыт (рис. 5).

В тугоплавкую стеклянную трубку помещают кусочки железного колчедана величиной с зерно гречихи, затем трубку присоединяют одним концом к банке, а банку — к водоструйному насосу. Пускают ток воздуха. Железный колчедан нагревают. Через несколько минут в банке обнаруживается сернистый газ.

Описанные выше реакции лежат в основе получения сернистого газа на сернокислотных заводах.

Как же на заводах надо производить обжиг колчедана для получения сернистого газа?

Опыт показывает, что учащиеся на этот вопрос дают различные ответы. Наиболее часто встречается такой: «Сжигать колчедан в таких печах, как сжигают дрова». Это предложение оценивается учителем как правильное, применявшееся ранее в технике, но сейчас уже ушедшее в область истории, так как этот способ имеет много недостатков.

Учащимся предлагается подумать, какие недостатки имеет обжиг в обыкновенных печах, учитывая при этом, что основным показателем успешной работы аппаратов является выдача в единицу времени возможно большего количества продукта, в данном случае сернистого газа.

image3

Рис. 5. Прибор для обжига железного колчедана, сконструированный

учащимися.

Учащиеся по этому вопросу высказывают много правильных суждений, если их мысль направляется наводящими вопросами учителя: «Надо время от времени прекращать обжиг, чтобы выгрузить окись железа. В это время сернистый газ не вырабатывается. Потом надо разогреть печь. Опять тратится время даром»; «Да еще ядовитый сернистый газ будет попадать в помещение при выгрузке окиси железа. А это вредно для рабочих»; «В начале обжига колчедана из печи будет выделяться много сернистого газа, а потом мало. Когда из печи будут выгружать окись железа, сернистый газ не будет совсем выделяться. Это плохо, потому что серная кислота будет получаться неравномерно».

На основании этих суждений делается вывод, что экономически невыгодно обжигать колчедан в обыкновенных печах, действующих периодически.

Какие же печи следует применить, чтобы производить обжиг непрерывно?

На этот вопрос ученики обычно не дают правильного ответа, но поставленный вопрос приковывает их внимание, и последующее изложение материала они воспринимают хорошо.

Описывается полочная непрерывно действующая печь.

Печь (демонстрируется модель и схема печи) представляет собой стальной цилиндр, выложенный внутри огнеупорным кирпичом. Печь разделена кирпичными сводами на этажи, сообщающиеся между собой посредством отверстий, расположенных у стенок печи или у центра свода. В центре печи сверху донизу проходит полый вал, который приводится во вращательное движение вместе с гребками и зубьями. Зубья в гребках устанавливаются под различным углом, чтобы на одних этажах колчедан передвигался от центра к стенкам, на других — наоборот.

Измельченный рядовой колчедан (или флотационный) поднимается на верх печи и ссыпается в бункер (большую воронку), откуда поступает на верхний этаж печи. Здесь колчедан подсушивается, передвигается гребками к отверстию у центра и ссыпается на следующий этаж. Движением гребков колчедан перемешивается (это способствует лучшему обжигу), передвигается к отверстию у стенок печи и здесь ссыпается на следующий этаж и т. д. Внизу колчеданный огарок (остаток от колчедана после обжига) выбрасывается из печи в вагонетку. Обжиг происходит на всех этажах, за исключением верхнего.

Воздух, необходимый для горения, поступает в печь снизу в количестве, в 1,6 раза большем, чем надо по уравнению реакции. При избыточной концентрации воздуха происходит более полный обжиг колчедана. Обжиг ведется при температуре около 850° С. При более высокой температуре печь быстро разрушается. (Воздух проходит над всей поверхностью горящего колчедана.) Так осуществляется взаимно противоположное по направлению движение колчедана и воздуха, т. е. противоток. Благодаря противотоку почти до конца обожженный колчедан, в котором содержится мало серы, встречается со свежим воздухом, в котором много кислорода, а поступающий в печь колчедан хотя и встречается с газами, в которых мало кислорода, но интенсивно обжигается потому, что содержит большое количество серы.

Если сернокислотный завод перерабатывает рядовой колчедан (т. е. кусковой колчедан в том виде, как он встречается в природе), то его предварительно измельчают. Этим достигается увеличение поверхности колчедана, что содействует лучшему выгоранию серы при обжиге.

Непрерывный поток, увеличение поверхности колчедана, противоток, применение избыточной концентрации дешевого материала (воздуха), оптимальная температура обжига — вот основные принципы, использование которых в производстве обеспечивает наиболее быстрый и полный обжиг колчедана.

Кроме полочных механических печей, в настоящее время применяются также печи для сжигания колчедана в пылевидном состоянии и печи для обжига в кипящем слое.

Учащимся предлагается подумать, как может быть устроена печь для сжигания колчедана в пылевидном состоянии.

Как показали наблюдения на уроках, учащиеся в этом случае вносят правильное предложение: «Печь надо сделать в виде цилиндра, куда вдувать колчеданную пыль. Пыль поджечь. Если воздуха будет достаточно, то пыль сгорит».

Учитель сообщает, что печь действительно представляет собой цилиндр с конусообразным дном для выгрузки огарка. В печь (демонстрируется модель и схема печи) форсунками вдувается пыль в смеси с воздухом и сжигается. В верхнюю часть печи вводится добавочный воздух.

С устройством печи для обжига колчедана в кипящем слое ученики знакомятся самостоятельно по учебнику.

Газ, получающийся в печах, называется печным или обжиговым газом. Он имеет примерно следующий состав: SO2 — 9%, О2 — 8%, N2 — 82%. В нем имеются также колчеданная пыль, соединения мышьяка, селена и других элементов.

Вопросы и задачи

1) Какие материалы применяются в качестве сырья для производства сернистого газа? 2). Написать уравнение реакции, происходящей при обжиге колчедана. 3). Как устроены печи для обжига колчедана? 4). Как производится обжиг колчедана в этих печах?