Лекция № 19

I. актуализация опорных знаний.

Ребята, сегодняшний урок я бы хотела начать с загадки:

Есть невидимка
В дом не просится,
А прежде людей
Бежит, торопится. (Ответы учащихся.)

Конечно же речь идет о воздухе.

Ответьте на вопросы:

1. Как называется воздушная оболочка Земли?
2. Какое значение имеет атмосфера?
3. В каком слое атмосферы протекает жизнь всех живых организмов? Почему?

Тема нашего урока «Воздух – смесь различных газов. Охрана воздуха». (Ученики
записывают тему урока в тетрадь.)

Ii. изучение нового материала.

1) Состав воздуха.

Воздух окружает нас повсюду. Он необходим для жизни всем живым организмам.

— Какие газы входят в состав воздуха? (Ответы учащихся.)

Чтобы выяснить, какие еще газы есть в воздухе обратимся к рис 38 на с. 67.

— Каких газов в воздухе содержится больше всего?

— Какую долю занимает азот?

— Какую долю занимает кислород?

Исходя из сказанного, делаем вывод: воздух – это смесь различных газов.
(Ответы учащихся.)

А мы помним, что вещества, входящие в состав смесей, сохраняют свои свойства.

Познакомимся со свойствами отдельных газов.

2) Азот.

(Сообщение ученика.)

В воздухе наибольший объём занимает газ азот. В переводе с латинского «азот»
означает «безжизненный» т.к. еще в 18 веке Д. Резерфорд К. Шееле, а позднее и
Лавуазье в составе воздуха был обнаружен газ, который не поддерживает горения и
дыхания.

Азот выделяется в атмосферу из земной коры как продукт жизнедеятельности
микроорганизмов. В составе горных пород химического элемента азота содержится в
50 раз больше чем в атмосфере.

Азот, как химический элемент, очень важен для живых организмов т.к. он входит
в состав белков. Но большинство живых организмов не могут усваивать его из
атмосферы. Лишь некоторые бактерии способны потреблять его из воздуха. Во время
грозы в атмосфере проскакивают мощные электрические разряды под воздействием
которых образуются сложные соединения азота.

С атмосферными осадками они
попадают в почву. Растения поглощают азот из почвы, а животные – поедая растения
или других животных, которые питаются растениями. Когда живые организмы
погибают, их тела разлагаются, а азот поступает обратно в почву.

(Демонстрируется схема «Круговорот азота в природе».)

— Какое название можно дать процессу, описанному и показанному на этой схеме?
(Ответы учащихся.)

3) Кислород.

Кислород составляет пятую часть воздуха. По своим свойствам он отличается от
азота.

— Какие свойства кислорода нам известны? (Поддерживает горение и дыхание.)

— Что общего между двумя этими явления? (Используется кислород, происходит
окисление, выделяется энергия.)

При недостатке кислорода нарушается функционирование всех органов у
организмов, которые используют его для дыхания, а таких большинство.

Давайте обратимся к истории открытия кислорода (работа с учебником с.67-68).

4) Экспериментальное доказательство наличия кислорода в воздухе.

— Как доказать наличие кислорода в воздухе? (Зажечь спичку, свечу.)

Демонстрация опыта учителем: зажечь свечу и накрыть стеклянным колпаком.

— Почему свеча гаснет?

— Какой газ образуется при горении?

— Поддерживает ли он горение и дыхание? (Ответы учащихся.)

5) Экспериментальное доказательство наличия углекислого газа в атмосферном
воздухе.

Чтобы доказать наличие углекислого газа нам понадобится известковая вода. Это
прозрачный раствор. При её взаимодействии с углекислым газом образуется белое
вещество, поэтому происходит помутнение известковой воды.

Демонстрация опыта учителем: при помощи резиновой груши пропустить
несколько раз воздух через известковую воду (наблюдается помутнение).

6) Экспериментальное доказательство наличия углекислого газа в выдыхаемом
воздухе.

Перед вами пробирки с известковой водой. Предлагаю вам сделать глубокий вдох
и медленно через трубочку выдохнуть воздух в пробирку. При этом необходимо
соблюдать правила техники безопасности – вдыхать через трубочку нельзя!

(Проведение опыта учащимися по группам.)

— Какой вывод можно сделать о содержании углекислого газа во вдыхаемом и
выдыхаемом воздухе?

Вывод: во вдыхаемом воздухе углекислого газа меньше чем в выдыхаемом.

— Почему необходимо проветривать кабинет во время перемен?

7) Относительное постоянство содержания кислорода и углекислого газа в
атмосфере.

На земле огромное количество потребителей кислорода.

— Почему его содержание в атмосфере относительно постоянно?

Работа со схемой «Потребители и производители кислорода».

Интересные сведения. Растения суши вырабатывают ежегодно 53 млрд. тонн
кислорода, а водоросли почти в 10 раз больше.

8) Экологические проблемы, влияющие на состав и свойства воздуха.

Да, растения поддерживают относительное постоянство кислорода в атмосфере, но
существуют проблемы, которые вызваны деятельностью человека и влияют на
изменение состава и свойств воздуха.

Заслушивание сообщений и просмотр презентаций учащихся (от группы) по темам:

1. Разрушение озонового слоя.
2. Вырубка лесов. Лесные пожары.
3. Глобальное потепление.
4. Загрязнение воздуха химическими отходами.

9) Примеси в воздухе.

— Какие примеси содержатся в воздухе? (Ответы учащихся.)

Водяные пары определяют влажность воздуха.

— Где влажность воздуха выше всего?

Интересные сведения. Бывают в воздухе и необычные примеси. Летом 1933
г. в Приморском крае с неба падали морские медузы, а в 1974 г. в пригороде
Ашхабада шел дождь из живых лягушек.

— В чем причина этих необычных дождей?

Iii. закрепление.

Сегодня вы получили много информации о воздухе. И как говорил Конфуций:

«Я слышу, и я забываю.
Я вижу, и я помню.
Я делаю, и я понимаю».

Поэтому я предлагаю вам, работая в группах, выполнить несколько заданий
(задания распределяются между учащимися в группах).

Задание 1. Заполните таблицу.

Задание 2. Проанализируйте информацию. Ответьте на вопросы.

Воздух довольно хорошо растворяется в воде, особенно в холодной. В нём
кислорода не 1/5, как в атмосфере, а 1/3. Если ледяную воду поставить в теплое
место, на стенках сосуда появятся пузырьки воздуха.

Вопросы:

1. Чем дышат рыбы?
2. Можно ли в аквариум наливать кипяченую воду ?

Задание 3. Ваши предложения по сохранению состава воздуха. Ваш личный
вклад.

Заслушивание ответов учащихся по группам.

История открытия кислорода

История открытия самого важного для человека газа была долгой и запутанной. Впервые об открытии кислорода было сообщено в 1774 г. английским химиком Дж. Пристли. Он получил его при нагревании вещества HgO. Однако Дж. Пристли в то время не понял, что он получил новое газообразное вещество, и считал его разновидностью воздуха. Еще раньше в 1772 г. кислород был получен К. Шееле, но сообщение об этом он опубликовал только в 1777 г.

В 1774 г. Дж. Пристли сообщил о своих результатах великому французскому химику А. Лавуазье. Он тут же начал свои опыты и уже в 1775 г. сделал в Академии наук доклад «Мемуар о природе вещества, соединяющегося с металлами при прокаливании и увеличивающего их вес».

Происхождение названия «кислород» связано с образованием кислот в результате растворения в воде некоторых сложных веществ, содержащих атомы этого элемента. А. Лавуазье считал, что кислород — это обязательная составная часть всех кислот, что он «рождает» кислоты.

Кислород как простое вещество

Простое вещество кислород существует в виде молекул. Молекула кислорода состоит из двух атомов химического элемента кислорода (рис. 73), поэтому химическая формула кислорода как простого вещества — O2.

Поскольку относительная атомная масса кислорода равна 16, то относительная молекулярная масса простого вещества кислорода равна:

Следовательно, молярная масса кислорода равна:

Как у всех газов, молярный объем кислорода при нормальных условиях равен:

Когда говорят о кислороде как о простом веществе, то подразумевают вещество, имеющее формулу О2. Например: «Железные изделия быстро ржавеют в атмосфере влажного кислорода», «Для горения древесины необходим кислород». В этих примерах речь идет о веществе, имеющем формулу О2.

Кислород как химический элемент

Самым первым химическим элементом, к изучению которого мы приступаем, является кислород. Как вы уже знаете, химический знак кислорода — О. Относительная атомная масса кислорода равна 16:

Позднее вы узнаете, какое строение имеет атом кислорода и чем он отличается от атомов других химических элементов.

Когда говорят о кислороде как о химическом элементе, то подразумевают атомы кислорода. Например: «В состав многих сложных веществ входит кислород», «Массовая доля кислорода в глюкозе равна 53,3 %». В этих примерах речь идет об атомах кислорода (О), которые наряду с атомами других химических элементов входят в состав сложных веществ, следовательно, в данном случае речь идет о кислороде как о химическом элементе.

Лекция № 19

Получение кислорода

Существует два основных способа получения кислорода: электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха). Электролизным способом кислород добывают как побочный продукт при производстве водорода. Для получения 2м3 водорода и 1м3 кислорода затрачивается 12-15 кВт. час электроэнергии.

Разделение воздуха является основным способом получения кислорода. Осуществить разделение воздуха в обычном газообразном состоянии трудно, поэтому воздух сначала сжимают, а затем разделяют на составные части. Такой способ получения кислорода называют разделением воздуха методом глубокого охлаждения.

Сначала воздух сжимается компрессором, затем после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (-180 С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов t кип О2 (-182,9С)

, t кип N2 (-195,8С). При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн получают агентов воздух, воду и лед.

К числу процессов, осуществляемых при искусственном охлаждении относятся некоторые процессы абсорбции, процессы кристаллизации, разделения газов, сублимационной сушки и др. Искусственное охлаждение широко применяется в различных других областях народного хозяйства, например, для хранения пищевых продуктов, замораживания грунтов, кондиционирования воздуха и т.д.

Известны различные способы получения низких температур. Выбор способа зависит от температурного уровня охлаждения, преследуемой цели (сжижение газа или охлаждение какого-либо объекта), масштабов и других факторов.

При переносе теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой необходимо совершить работу. Это требование 2-го закона термодинамики предусматривает изменение некоторых параметров состояния (из уравнения Клапейрона-Менделеева pV = MRoT ), приводящих к охлаждению, где М — масса данного количества газа;

R -Ro — ее значение равно работе расширения, совершаемой какой-либо единицей массы газа при нагревании его на 1К при постоянном давлении.

Низкие температуры можно получить следующими способами:

1. Дросселированием газа или пара;

2. Расширением газа в детандере с совершением внешней работы;

3. С помощью фазовых превращений, сопровождающихся поглощением теплоты, например, испарением воды, аммиака, плавления льда или растворения соли;

4. Использованием вихревого эффекта потока газа или пара (труба Ранка);

5. Десорбцией газа и другими способами.

Дросселированием называют снижение давления потока газа (или жидкости) при прохождении его через суженное отверстие при отсутствии теплообмена с окружающей средой, причем поток не производит внешней работы.

Изменение температуры при дросселировании реальных газов объясняется тем, что энталь последних являются функциями не только температуры Т, но и давления р газа:

i = u pv = Cv * T uпот pv

где u — внутренняя энергия реального газа;

v — удельный объем;

Cv — удельная теплоемкость при постоянном объеме;

Cv * T — внутренняя кинетическая энергия молекул газа;

uпот — внутренняя потенциальная энергия газа, равная работе, которую надо затратить на преодоление сил притяжения между молекулами;

pv — объемная энергия газа.

Энергия, необходимая для расширения газа (против сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет притока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа.

Подставив в вышеприведенное выражение значения соответствующих членов до и после дросселирования (индексы 1 и 2 относятся соответственно к состоянию газа перед дросселированием и после него) выразим постоянство энтальпии при дросселировании равенством:

Cv.Т1 u1 p1V1 = Cv * T2 u2 p2V2

откуда

Cv . (Т1 — T2 ) = (u2 — u1) — (p1V1 — p2V2).

Последнее выражение позволяет установить возможное поведение реального газа при дросселировании:

Если p2V2 p1V1 , то Т1 — T2 0 и в результате дросселирования температура газа понижается;

Если p2V2 p1V1, однако (u2 — u1) (p1V1 — p2V2), то дросселирование также приводит к понижению температуры газа.

Если в последнем случае (u2 — u1) (p1V1 — p2V2), то после дросселирования температура газа повышается, т.е. Т2 Т1..

Этот способ годится не для всех газов. Некоторые из них, например, водород и гелий, при расширении через дроссельный вентиль, наоборот, нагреваются. Чтобы не дать газу нагреваться, нужно при расширении заставить его совершать работу, например, в поршневом двигателе или турбине.

Молекулы газа, ударяясь о поршень или лопатки турбины, отдают им свою энергию, движение их замедляется, и газ остывает, расширительные машины такого типа называют детандерами, с их помощью осуществляют один из важных промышленных способов сжижения газа.

Кроме дросселирования и расширения сжатого газа в детандере (с совершением внешней работы) для охлаждения могут быть использованы физические процессы.

К числу их относятся процессы фазовых превращений (плавление, кипение, сублимация и др.), сопровождающимся довольно значительным поглощением тепла. Для охлаждения можно использовать процесс плавления льда. Однако при этом лед чистой воды дает возможность охлаждения практически лишь до температуры его плавления (0С).

Для понижения температуры плавления применяют охлаждающие смеси, состоящие из измельченного льда (или снега) с солью, например, хлористым натрием или хлористым кальцием. Так, смеси растворов хлористого кальция со льдом пригодны для охлаждения до температуры -55С.

При поступлении газа в трубку давление его падает от первоначального (в несколько атмосфер) до атмосферного и газ расширяется. Расширение газа происходит по мере его продвижения в трубке по спирали от периферии к центру. В этом же направлении должна увеличиваться и скорость газового потока, а следовательно, и его кинетическая энергия.

Однако вследствие трения между слоями каждый слой газа часть своей кинетической энергии передает соприкасающемуся с ним внешнему слою. Таким образом, внешние слои газа получают от внутренних кинетическую энергию, значительная часть которых расходуется на трение, что и приводит к нагреванию газа во внешних слоях. Внутренние же слои, отдающие часть своей кинетической энергии внешним, имеют более низкую температуру.

Несмотря на относительно низкую термодинамическую эффективность этого способа получения холода, вихревые трубы перспективны для одновременного производства тепла и холода, когда требуется периодически получать небольшие количества холода или если имеются дешевые ресурсы сжатых газов. Основным преимуществом вихревого охлаждения является простота устройства и надежность эксплуатации вихревых труб.

Применение кислорода

Кислород очень широко применяется в народном хозяйстве. На рисунке 75 приведены основные области применения кислорода. Главными потребителями кислорода являются металлургическая промышленность (выплавка стали), космическая техника (окислитель ракетного топлива), процессы обработки металлов (сварка и резка металлов).

Краткие выводы урока:

1. Химический элемент кислород образует два простых вещества — кислород О₂ и озон О₃.
2. Когда говорят о кислороде как о химическом элементе, подразумевают атомы кислорода О.
3. Когда говорят о кислороде как о простом веществе, подразумевают вещество, состоящее из молекул и имеющее формулу О₂.

Применение на производстве

Все тепловые электростанции, сжигающие твердое, газообразное и сжиженное топливо, для обеспечения работоспособности требуют кислород. В результате процесс горения проходит интенсивнее с высокой температурой горения, так как выделяющееся тепло не тратится для нагревания азота.

Чистый газ с высокой температурой горения востребован в большом количестве в машиностроении для обеспечения работы технологичного оборудования, выполняющего резку и сварку (плавку) металлических деталей. Для сварки в горелку через отдельные трубки подается кислород и ацетилен, образуя смесь газов, которая поджигается и расплавляет металл. С целью резки поверхность разогревается ацетиленовой горелкой, а затем горячая струя кислорода прожигает металл.

Использование кислорода в промышленности на химических предприятиях востребовано для интенсификации реакций при производстве кислот и реализации прочих производственных процессов. С его помощью окисляются реагенты для получения разных соединений. В металлургической промышленности:

• увеличивает температуру плавки при производстве стали;
• применяется для выплавки цветного металла;
• обеспечивает процесс восстановления железа;
• улучшает технологию плавки в стекловарении;
• осуществляет сжигание газов для минимизации выброса в атмосферу оксидов азота.

Используется на производстве взрывчатых веществ. В нефтедобывающей отрасли позволяет повысить производительность по переработке нефти, а также увеличить вязкость нефтяного потока из скважины. Газ востребован на предприятиях для придания бумаге белизны, применяется в технологии очистки канализационных стоков. В пищевой отрасли с его помощью проводится обеззараживание складских помещений.

Производственный процесс

Применяется несколько способов получения кислорода в промышленности. Для изготовления чистого газа используется технология разделения газовой смеси при низкой температуре (низкотемпературная ректификация). На первом этапе воздух подвергается сильному охлаждению до -200°С и переходит в жидкообразное состояние. Затем сжиженный воздух медленно нагревается и подвергается процессу испарения.

Более эффективным и производительным способом получения кислорода в промышленности является адсорбционная технология. Установки, работающие по этому принципу, позволяют получить газ очищенный на 95%. Атмосферный воздух освобождается от пыли, механических компонентов и фильтруется от паров воды.

Под давлением подается в адсорбционный блок. На этапе поглощения адсорберов газ закачивается в ресивер, а на стадии генерации азот испаряется в атмосферу. Из ресивера кислород подается потребителям. Генераторы отличаются надежностью и возможностью полной автоматизации процесса./p>

Для получения кислорода, очищенного на 99,9% применяются криогенные системы. Такие установки отличаются ресурсом и высокой производительность, но имеют большие габариты и сложные в установке.

Ход урока

Класс заранее делится на 4 группы.

Iv. итог урока.

Оценивание деятельности учеников.

Домашнее задание: параграф 16; составить «Сборник пословиц, поговорок,
загадок о воздухе»; сочинить стихотворение или сказку о воздухе (по желанию).

Вы молодцы! Спасибо за плодотворную совместную работу.