Методика решения задач по теоретическим основам химической технологии (стр. 14 из 16)

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;

НСО

₃ + 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.