Авторы-составители:
Заглядимова Нина Валентиновна, канд.хим. наук, профессор
Яскеляин Александр Всеволодович, канд.ф.-м. наук, доцент
Учебно-методический комплекс по дисциплине Теоретические основы прогрессивных технологий_(физика, химия_и биотехнология) составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ГОС ВПО) по специальности: 080502.65 Экономика и управление на предприятии (железнодорожный транспорт). Дисциплина входит в федеральный компонент общих математических и естественнонаучных дисциплин и является обязательной для изучения. Данный учебно-методический комплекс рассмотрен и одобрен на заседании Учебно-методической комиссии РОАТ. Протокол №4 от 01.07.2011.
Содержание
Рабочая учебная программа по дисциплине ……………………………………
4
Конспект лекций по дисциплине ………………………………………………..
20
Задание на контрольную работу и общие указания к выполнению контрольной работы …………………………………………………...................
122
Задание на курсовую работу и общие указания к ее выполнению …………..
135
Методические указания студентам …………………………………………….
139
Методические указания преподавателям ………………………………………
140
Вопросы к зачёту по дисциплине………… ……………………………………
142
Вопросы к экзамену по дисциплине ……………………………………………
145
Экзаменационные билеты ………………………………………………………
152
Дисциплина «Теоретические основы прогрессивных технология (физика, химия и биотехнология)» относится к блоку естественнонаучных дисциплин Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и предназначена для студентов инженерно-технических специальностей. Изучение дисциплины способствует развитию познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей, самостоятельности в приобретении новых знаний. Данная рабочая программа посвящена химическим основам понимания природных и техногенных явлений, с учетом специализации выпускников транспортного вуза
Основной задачей курса является знакомство студентов экономических специальностей с современными основами прогрессивной технологии (химическими и физическими) с целью подготовки специалистов широкого профиля, способных к быстрой перестройке профессиональной деятельности в соответствии с требованиями рынка.
Химическая технология – это наука, разрабатывающая промышленные методы превращения исходных веществ (сырье) в новые вещества (продукты). Основная задача химической технологии – создание таких производств, которые позволяли бы получать высококачественную продукцию с наименьшими затратами труда, сырья, энергии и времени.
В курсе основ химической технологии вам предстоит познакомиться с ее особенностями и наиболее перспективными направлениями, такими как биотехнология и другие. Вы узнаете о роли химии и химической технологии в решении глобальных проблем человечества: продовольственной, энергетической, сырьевой и экологической. В первой части дисциплины рассматриваются теоретические основы типовых процессов химической технологии, материальные и энергетические балансы химического производства с тем, чтобы грамотно составлять экономические балансы, по возможности учитывая все стороны конкретного производства.
В курсе «Теоретические основы прогрессивных технология (физика, химия и биотехнология)» изучаются фундаментальные законы химии, как основа современной технологии. Без глубокого изучения химических законов невозможно понимание современных технологических процессов, использующихся в промышленности, на транспорте, в строительстве, природных явлениях и в защите окружающей среды.
^ Цель изучения дисциплины - ознакомить студентов с процессами превращения веществ, сопровождающихся изменением химических и физических свойств, создание теоретической базы для успешного усвоения ими специальных дисциплин и, в частности, – формирование научного и инженерного мышления. Фундаментальная подготовка студентов соответствует целям и задачам ГОС ВПО по примерным программам инженерно-технических специальностей.
В современной жизни, особенно в производственной деятельности человека, химия имеет исключительно важное значение. На различных предприятиях железнодорожного транспорта многие производственные процессы связаны с химическими процессами: в гальванических цехах, на шпалопропиточных заводах, в котельных, при сварочных и газорезных работах на предприятиях по ремонту подвижного состава, при нанесении лакокрасочных покрытий, во время химической чистке тканевых изделий для железнодорожного транспорта, в цехах по переработке отходов, на очистных сооружениях и т.д..
^ Задачей изучения дисциплины являются: 1) профессиональная подготовка специалистов и получения будущими специалистами необходимых знаний о средствах и мерах защиты металлов от коррозии, применении легированных сталей на железнодорожном транспорте и умении выбора химической и электрохимической защиты, применении прогрессивных технологий таких, как электролиз и гальванические элементы различных типов на предприятиях железнодорожного транспорта и на подвижном составе; 2) получение дипломированными специалистами теоретических представлений и практических навыков применения прогрессивных технических знаний, обеспечивающих высокий университетский уровень инженера.
Данная программа построена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта и Примерной программы дисциплины «Химия» Министерства образования Российской Федерации, принятой 08.12.2000 г.
Представляемый курс включает входящие в программу «Химия» разделы: Строение вещества, Общие закономерности химических процессов, Растворы, Электрохимические процессы.
^ 1.2 ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯДИСЦИПЛИНЫ
В ходе изучения дисциплины «Теоретические основы прогрессивных технология (химия и биотехнология)» должны быть сформированы знания и умения использовать:
фундаментальные понятия, законы, модели классической и современной химии.
Изучив дисциплину «Теоретические основы прогрессивных технология (химия и биотехнология)», согласно Государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования и государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника предполагают, что в результате изучения дисциплины студент должен:
- иметь представление: о предмете, цели, задачи дисциплины и об ее значении для будущей профессиональной деятельности; о превращениях веществ, составе и строении веществ, зависимости свойств растворов от их состава и внешних условий, оценивать энергетические затраты при превращении одних веществ в другие. А также о законах и закономерностях протекания во времени сложных и взаимосвязанных явлений, физико-химических методах анализа производственного контроля. О динамических и статистических закономерностях в природе; об изменениях и их специфичности в различных разделах естествознания; о соотношении эмпирического и теоретического в познании; об основных химических системах и процессах; об основных компонентах химического производства и общих принципах расчета процессов и аппаратов;- о взаимосвязи между свойствами химических систем, природой и веществ и их реакционной способностью; о методах химической идентификации и определения вещества;
- о новейших открытиях естествознания, перспективах их использования
- знать:
основные законы и закономерности химии,
строение вещества на современном уровне,
расчеты концентрации растворов, произведения растворимости для возможности грамотно пользоваться справочной литературой,
рассчитывать электродвижущую силу гальванических элементов и количеств веществ, образующихся при электролизе и для оценки скорости коррозионных процессов,
механизмы и условия протекания химических реакций,
предвидеть их результаты,
определять возможность управлять химическим процессом на основании энергетических оценок,
проводить реакции быстрее и в нужном направлении и при условиях наиболее приемлемых для производственных масштабов;
разбираться в методах качественной аналитики.
перспективные биотехнологии: ферментативные технологии, бакпрепараты при очистке сточных вод и загрязненных почв.
-
уметь:
работать с химическими реактивами,
применять физико-химические методы для решения задач в области взаимосвязанных явлений, физико-химических методах анализа производственного контроля,
- приобрести навыки:
использования учебной и технической литературы,
информационных материалов из Интернета,
работы с приборами,
проведения измерений и расчётов, решения химических задач,
осмысления, анализа и защиты полученных результатов.
Знания и навыки, полученные при изучении дисциплины «Теоретические основы прогрессивных технология (химия и биотехнология)» дают возможность студентам изучать все последующие дисциплины учебного плана на качественно более высоком уровне.
^ 1.3 ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ Форма обучения – ЗАОЧНАЯ
Вид учебной работы
Количество часов
Всего по учебному плану
В том числе по курсам
1
2
Аудиторные занятия:
52
32
20
Лекции
24
16
8
Лабораторные работы
28
16
12
Самостоятельная работа
298
143
155
^ ВСЕГО ЧАСОВ
НА ДИСЦИПЛИНУ
350
175
175
Контрольная работа
1
1
Курсовая работа
1
1
Зачет
3
2
1
Экзамен
1
1
^ 1.4 СОДЕРЖАНИЕ КУРСА1.4.1 Распределение часов по темам и видам учебной работы Форма обучения – ЗАОЧНАЯ
Курс 1
Название разделов и тем
Виды учебных занятий
лекции
лаб.
раб.
^ Первый семестр (Первый Курс) 1.Раздел «Введение»
Химическая технология как научная основа химического производства. Цели и задачи химической технологии. Основные принципы ее создания. Особенности химической технологии как науки. Уровни протекания процесса – микрокинетика и макрокинетика. Связь химической технологии с другими науками. Дисциплины, обеспечивающие химическую технологию. Химическая технология – путь решения глобальных проблем человечества: продовольственной, энергетической, сырьевой, защиты окружающей среды.
Основы типовых процессов химической технологии. Химико-технологический процесс (ХТП), химико-технологическая система (ХТС). Технологические показатели эффективности ХТС – степень превращения сырья, выход готового продукта, скорость химической реакции по данному веществу.
Общие принципы расчета процессов и аппаратов. Условия равновесия, направление протекания процесса. Материальные и энергетические балансы химического производства. Материальный баланс как степень совершенствования технологического процесса. Уравнение материального баланса. Тепловой баланс как отражение потребности в топливе, расхода теплоносителя и хладоагента. Уравнение теплового баланса. Движущая сила процесса.[3]
Новые технологии и их роль в социальном и экономическом развитии общества. Основные направления развития научно-технического процесса.
1
2.Раздел «Основные компоненты химического производства».
Химическое сырье. Определение, классификация и требования к химическому сырью. Ресурсы и рациональное использование сырья. Методы обогащения сырья. Флотация.
Энергия в химическом производстве. Источники энергии, их рациональное использование. Новые виды энергии – химия высоких энергий.
Вода в химическом производстве. Направление ее использования. Требования к качеству воды (жесткость воды, окисляемость, кислотность, щелочность). Промышленная водоподготовка: схема, основные операции - осветление, обеззараживание фильтрование, дегазация, умягчение и др. Метод ионного обмена. Обменная емкость – характеристика поглощающей способности ионита. Способы умягчения воды.[3]
2
4
3.Раздел «Теоретические основы химической технологии»
Содержание химико-технологического процесса - 3 основных последовательных стадии. Вторая стадия ХТП – химический процесс. Классификация химических реакций по фазовому состоянию системы, по условиям протекания во времени, по типу контакта реагентов и по наличию катализатора.
3.1 Состояние равновесия в системе. Термодинамический фактор. Условия устойчивого равновесия. Тепловой эффект реакций. Энтальпия. Закон Гесса и его применение для термохимических вычислений. Энтропия и ее зависимость от температуры. Направление протекания процесса при различных условиях. Свободная энергия Гиббса (G) – универсальный критерий теоретической возможности процесса. Равновесная степень превращения (равновесный выход продукта). Ее связь с константой равновесия, как характеристика условия максимально возможного извлечения целевого продукта из сырья. Смещение равновесия в сторону образования целевого продукта. Расчет состава равновесных систем при изменении внешних условий.
3.2 Влияние температуры (изобара Вант-Гоффа) для эндо- и экзотермических реакций. Влияние давления и концентрации. Принцип Ле-Шателье.
Кинетический фактор. Скорость химических реакций для гомогенных и гетерогенных реакций как важнейшее условие интенсификации ХТП. Закон действия масс. Выражение для движущей силы процесса (С) для обратимых и необратимых реакций. Зависимость скорости реакций от 4х переменных: константы скорости (К) или коэффициента массопередачи (Кm), движущей силы процесса С, реакционного обмена V, поверхности раздела фаз F. Общая скорость химического процесса (кинетическая и диффузионная области).
3.3 Каталитические процессы. Гомогенный и гетерогенный катализ. Методы повышения эффективности технологических процессов за счет использования катализаторов.
3.4 Основные стехиометрические физико-химические и газовые законы. Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Менделеева-Клапейрона. Закон Авогадро. Закон эквивалентов. Законы сохранения массы и энергии. Закон сохранения заряда. Законы термодинамики. Периодический закон Менделеева и развитие химии. Методы расчета материального баланса химических процессов и технологий.
3.5 Растворы. Типы растворов. Сольватация, гидратация. Растворы неэлектролитов. Температуры кипения и замерзания растворов. Законы Рауля. Способы выражения концентраций. Растворение твердого тела в жидкости, газа в жидкости (закон Генри) и жидкости в жидкости. Коэффициент активности.
Растворы электролитов. Сильные и слабые электролиты. Закон разбавления Оствальда. Характеристика силы электролита – степень и константа диссоциации. Ионные реакции в растворах. Степень превращения в ионных реакциях. Расчет равновесных концентраций. Диссоциация воды. Водородный показатель рН и его влияние на ход технологических процессов. Гидролиз солей. Степень и константа гидролиза.
3.6 Гетерогенные равновесия. Произведение растворимости. Повышение эффективности технологических процессов за счет управления растворимостью.
3.7 Поверхностно-активные вещества (ПАВ). Адсорбция, ее разновидности и использование в технологических процессах. Флотация. Иониты. Дисперсные системы и их классификация. Коллоиды. Коагуляция. Электрокинетические и электрофоретические процессы, область их эффективного использования. Состав сточных вод. Новые методы очистки сточных вод и дымов.
3.8 Органические соединения. Полимеры. Способы их получения. Использование полимерных материалов в современных технологических процессах. Переработка полимеров. Применение полимеров на ж/д транспорте.
3.9 Электрохимические процессы. Окислительно-восстановительные реакции. Двойной электрический слой. Стандартный электродный потенциал. Электрохимический ряд напряжений. Типы электрохимических процессов. Основное уравнение превращения энергии. Химические источники тока. Их применение в энергетике.
Электролиз, его закономерности. Использование в промышленности. Расчет количества вещества и выхода по току, к.п.д. Электролиз с растворимым анодом. Коррозия металлов. Механизм и способы защиты. Современные и перспективные способы защиты от коррозии.
Металлы. Получение высокочистых аморфных и кристаллических материалов.
Защита металлов от коррозии.
9
10
4.Раздел «Химическая идентификация»
Понятие о качественном и количественном анализе. Химический анализ. Физико-химический анализ. Физический анализ. Новые методы химической идентификации и перспективы их внедрения.
1
2
5.Раздел «Основы биотехнологий и мембранные технологии»
Биотехнология как наиболее перспективное направление химической технологии. Особенности биотехнологии как альтернативной химической технологии. Ферментативный катализ. Генная и клеточная инженерия. Преимущества и недостатки биотехнологий. Экологические аспекты биотехнологий.
Основы мембранных технологий. Современные мембранные материалы. Перспективы развития мембранных технологий.
Химизация хозяйственной деятельности, ее цели. Химизация земледелия, животноводства (пестициды, гербициды, фитогормоны, стимуляторы плодовитости и т.д.).
Экология. Защита окружающей среды. Экосистемы. Структура экосистем: биота и абиота. Основные принципы функционирования экосистем. Их связь с основными физико-химическими законами. Принципы устойчивого развития экосистем.
Кислотные дожди. Их влияние на жизнедеятельность. Способы защиты.
Безотходное производство, его суть, требования и проблемы. Малоотходное производство.
Роль экологического образования в защите окружающей среды.
3
ИТОГО
16
16
курс 2
Раздел дисциплины
Лекции
Лабораторные занятия
Введение
0.5
Основы механики
2
2
Колебательные и волновые процессы
1
2
Статистическая физика и термодинамика
1
2
Электричество и магнетизм
1
2
Оптические процессы
1,5
2
Элементы атомной физики и квантовой механики
1
2
1.
^ 5 Лабораторные работы (лабораторный практикум) Курс 1
Лабораторные занятия по дисциплине «ТОПТ» проводятся в специально оборудованных лабораториях с применением необходимых средств обучения: лабораторного оборудования, образцов для исследований, методических пособий.
Поскольку в химической лаборатории находятся электроприборы, газ, вода, ядовитые и огнеопасные вещества, студенты должны строго соблюдать правила внутреннего распорядка и техники безопасности. Группа студентов должна быть перед лабораторными занятиями проинструктирована преподавателем, каждый студент заполняет журнал по лабораторной безопасности и расписывается.
Перед каждым лабораторным занятием студент должен изучить соответствующий раздел учебника, конспект лекций и описание лабораторной работы.
При оформлении отчета по проделанной работе в лабораторной тетради записывают дату, номер, название работы и опыта; конспект теоретического материала; краткое описание хода опыта и результаты, полученные при его выполнении. При выполнении лабораторной работы студент ведет рабочие записи результатов наблюдений и измерений (испытаний), оформляет расчеты. Окончательные результаты оформляются в форме выводов к работе.
Полный парк лабораторных работ на кафедре содержит более 10 работ (с вариативными заданиями), ко всем имеются методические указания, изданные в РОАТ. Руководства к выполнению лабораторных работ, разработанные на кафедре, приведены в разделе 2. Ниже в виде примера дана краткая характеристика типичных работ, выполняемых студентами в первом семестре.
№№ и названия разделов и тем
Цель и содержание лабораторной работы
Результаты лабораторной работы
^ Лабораторная работа № 1 Гидролиз солей, водородный показатель
Раздел 3.
Теоретические основы химической технологии
Тема: 3.5 Растворы
Определить рН водных растворов солей. Проанализировать соли с точки зрения электролитической диссоциации. Овладение методикой составления уравнений гидролиза солей.
Оценка кислотности дождей
Овладение навыками составления уравнения гидролиза.
Значения рН по теории и практическому измерению. Оценка точности измерения рН
^ Лабораторная работа № 2 Гальванические элементы
Раздел 3.
Теоретические основы химической технологии
Тема: 3.9 Электрохимические процессы
Уяснить принцип работы гальванического элемента. Выявить влияние концентрации электролита на значение Э.Д.С. элемента
Расчет нового значения электродного потенциала с учетом концентрации и его основании вычисление нового значения Э.Д.С. Сравнение теоретического и практически полученного ЭДС ГЭ. Заполнение сравнительной таблицы.
^ Лабораторная работа № 3 Коррозия металлов
Раздел 3. Теоретические основы химической технологии
Тема:
3.9 Электрохимические процессы
Ознакомиться с теорией коррозионных процессов, принципами защиты от коррозии и выполнить ряд экспериментов, подтверждающих основные положения теории.
Составление уравнений реакций электрохимической коррозии металлов в зависимости от вида металлического покрытия. Оценка его устойчивости в агрессивной (кислой) среде. Доказательство наличия выхода окисленного металла из- под покрытия методом качественной реакции.
^ Лабораторная работа № 4 Электролиз растворов солей
Раздел 3. Теоретические основы химической технологии
Тема: 3.9 Электрохимические процессы
Ознакомление с основными положениями электрохимии и закономерностями протекания электролиза
Составление уравнений электродных реакций. Определение процесса, протекающего на катоде и аноде. Оценка количества выхода продуктов электролиза.
^ Лабораторная работа № 5 Химическая идентификация
Раздел 4. «Химическая идентификация
Тема:. Понятие о качественном и количественном анализе.
Проведение качественных реакций с целью овладения свойствами качественного анализа и определения состава
Качественный и количественный анализ (на ионы трех- и шестивалентного железа, на ион никеля, ион цинка) Оценка природной воды на содержание железа методом спектрофотометрии.
^ Лабораторная работа № 6 Химическая кинетика.
3.Раздел. Теоретические основы химической технологии
Тема: 3.2 Химическое равновесие
Влияние концентрации на скорость химической реакции и на смещение химического равновесия
Построение графика зависимости относительной скорости от концентрации.
Расчет скорости реакции константы скорости реакции
^ Лабораторная работа № 7Определение жесткости воды
2.Раздел «Основные компоненты химического производства»
Тема: Требования к качеству воды
Определение временной и общей жесткости водопроводной воды
Написание уравнение реакций, по титрам соляной кислоты и трилона Б расчет жесткости
^ Лабораторная работа № 8Определение окисляемости воды
2.Раздел «Основные компоненты химического производства»
Тема: Требования к качеству воды
Провести исследование окисляемости водопроводной воды 0,01н раствором перманганата калия
Оценка частичного содержания в воде органических легкоокисляемых примесей.
Изучение технологии проведения трудоемкого опыта получения достоверных данных по окисляемости, расчет окисляемости мг/л по титру 0,01н раствором перманганата калия
курс 2. Лабораторные занятия по дисциплине «Теоретические основы прогрессивных технологий» проводятся в специально оборудованных лабораториях с применением необходимых средств обучения: лабораторного оборудования, образцов для исследований, методических пособий, компьютерных средств обработки результатов измерений.
При выполнении лабораторных работ проводятся: подготовка оборудования и приборов к работе, изучение методики работы, воспроизведение изучаемого явления, измерение величин, определение соответствующих характеристик и показателей, обработка данных и их анализ, обобщение результатов.
В ходе проведения работ используются план работы и таблицы для записей наблюдений. При выполнении лабораторной работы студент ведет рабочие записи результатов измерений (испытаний), оформляет расчеты, анализирует полученные данные путем установления их соответствия нормам, сопоставления с известными в литературе данными, а также данными других студентов. Окончательные результаты оформляются в форме выводов к работе.
Полный парк лабораторных работ содержит более 20 работ, ко всем имеются методические указания, изданные в университете. Ниже в виде примера дана краткая характеристика типичных работ, выполняемых студентами.
№№ и названия разделов и тем
Цель и содержание
лабораторной работы
Результаты лабораторной работы
Лабораторная работа № 1. Измерение момента инерции махового колеса и силы трения в опорах
^ Раздел «Механика» Тема :
Динамика тел при вращательном движении. Понятия момента сил, момента инерции, момента количества движения. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела.
Экспериментальное измерение момента инерции махового колеса и силы трения в опорах. Применение законов динамики поступательного и вращательного движения твёрдого тела.
Численные значения момента инерции, силы трения и погрешностей измерений.
Лабораторная работа №2. Определение коэффициента вязкости жидкости по методу Стокса
^ Раздел «Механика» Тема :
Силы внутреннего трения в жидкости. Движение тел в жидкостях и газах. Вязкость жидкостей, вискозиметры.
Изучение природы внутреннего трения в жидкостях.
Измерение коэффициента внутреннего трения
Значение коэффициента внутреннего трения глицерина, расчёт полной ошибки измерений.
Лабораторная работа №3. Изучение свободных колебаний пружинного маятника
Раздел «Колебательные и волновые процессы» Тема:
3.1. Свободные колебания. Гармонические колебания. Уравнение гармонических колебаний. Периоды колебаний математического и физического маятников. Затухающие колебания, логарифмический декремент
Изучение свободных колебаний пружинного маятника. Измерение периода колебаний пружинного маятника, измерение логарифмического декремента колебаний.
Численные значения периодов колебаний пружинного маятника и
логарифмического декремента колебаний.
Лабораторная работа №4. Изучение магнитного поля Земли
Раздел «Электричество и магнетизм» Тема:
2.4. Магнитное поле. Характеристики магнитного поля. Магнитное поле Земли.
Определение горизонтальной составляющей вектора напряжённости магнитного поля Земли
Численные значения вектора магнитной индукции и напряженности магнитного поля Земли. Расчёт полной ошибки измерений
Лабораторная работа №4.Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки
^ 4.Раздел «Оптическиепроцессы» Тема:
4.2. Дифракция. Дифракционная решетка. Дифракционная картина. Оптические приборы и разрешающая способность.
Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки; определение полосы пропускания светофильтров.
Численные значения длины световых волн фиолетовой, зелёной и красной части спектра, полосы пропускания светофильтра желтого цвета и погрешностей измерений.
Лабораторная работа №5. Определение показателя адиабаты (отношения удельных теплоёмкостей) воздуха методом Клемана-Дезорма
^ 6. Раздел «Статистическая физика и термодинамика» Тема:
6.3. Первое начало термодинамики. Адиабатический процесс. Степени свободы. Удельные теплоёмкости. Круговые процессы.
Определение показателя адиабаты двухатомного газа (
).
Численное значение показателя адиабаты воздуха и погрешностей измерений.
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература:
Глинка, Н.Л. Общая химия: Учебник/ Н.Л. Глинка. -17-е изд. - М.: Издательство Юрайт, 2010.
Коровин, Н.В. Общая химия: Учебник/ Н.В.Коровин. -11-е изд. - М.: Высшая школа, 2009.
Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия: Учебник/ Н.С. Ахметов. - 4-е изд.-М.: Высшая школа, 2001.
Угай, Я.А. Общая и неорганическая химия: Учебник/ Я.А. Угай. -2-е изд. - М.: Высшая школа, 2000.
Зубрев, Н.И. Инженерная химия на железнодорожном транспорте: Учебное пособие/ Н.И. Зубрев. -2-е изд. - М.: Желдориздат, 2002.
Орлов,Д. С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2002.
Садовникова, Л. К. Экология и охрана окружающей среды при химическом загрязнении: Учебное пособие. - М.: Высшая школа, 2008.
Заглядимова, Н.В. Химия в моделях, схемах и таблицах: Учебное пособие/ Н.В.Заглядимова. – М.: МИИТ, 2011.
Трофимова Т.И. Курс физики : учебное пособие / Т. И. Трофимова,- М.: Издательский центр Академия, 2007.
Трофимова Т.И. Краткий курс физики : учебное пособие/ Т.И. Трофимова. -М.: Высшая школа, 2006. -352 с.
Кокин С.М., Силина Е.К., Фортыгин А.А. Теоретические основы прогрессивных технологий (физика)- М., РГОТУПС, 2004. - 159с.
Масленникова И.С., Луканина Т.Л. Теоретические основы прогрессивных технологий. Физика.: учебное пособие/С-Петерб. СПбГИЭУ, 2008 – 210с.
Дополнительная литература.
Соколов, Р.С. Химическая технология в 2Т. Т. 1.: Учебное пособие/ Р.С.Соколов.- М.: ВЛАДОС, 2000.
Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных материалов: Учебник/ Под ред. Ю.А. Ершова.- М.: Высшая школа, 2002.
Артеменко, А.И. Органическая химия: Учебник/А.И.Артеменко.- М.: Высшая школа, 2002.
Основы аналитической химии. Практическое руководство / Под ред акад. Ю.А. Золотова.- М.: Высшая школа, 2001.
Ксенофонтова, М.М. Теоретические основы прогрессивных технологий. Химия и биотехнология: Конспект лекций/ М.М.Ксенофонтова, Н.В.Заглядимова, А.Н.Пряхин.-М.: РГОТУПС, 2002.
^ 1. 9 Материально-техническое и информационное обеспечение дисциплиныВ учебном процессе для освоения дисциплины используются следующие технические средства:
химическая лаборатория, химические реактивы;
компьютерное и мультимедийное оборудование (на лекциях, для самоконтроля знаний студентов, для обеспечения студентов методическими рекомендациями в электронной форме);
приборы и оборудование учебного назначения (при выполнении лабораторных работ);
пакет прикладных обучающих программ (для самоподготовки и самотестирования);
электронная библиотека курса (в системе КОСМОС- электронные лекции, тесты для самопроверки, тесты для сдачи зачёта).
^ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОГРЕССИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»1 курсВВЕДЕНИЕ Химическая промышленность играет большую роль в решении наиболее актуальных и перспективных проблем современного общества. К их числу относят:
1) синтез новых веществ и композиций, необходимых для решения технических задач;
2) увеличение эффективности удобрений для повышения урожайности сельскохозяйственной продукции;
3) синтез продуктов питания из несельскохозяйственного сырья;
4) разработка и создание новых источников энергии;
5) охрана окружающей среды;
6) выяснение механизма важнейших биохимических процессов и их реализации в искусственных условиях;
7) освоение огромных океанических источников сырья.
Научную основу химической промышленности составляет химическая технология.
^ Главная задача химической технологии – это изучение, разработка и непрерывное совершенствование производств, средств производства и предметов потребления.
Стоит отметить, что
основной целью является не просто получение целевого продукта, а массовое производство продукта при минимальных затратах ресурсов труда, сырья, энергии, минимальных капитальных вложениях и минимальном ущербе для человека и окружающей природной среды.
Совершенствование существующих технологических процессов и разработка принципиально новых включает следующие требования:
1. Недопустимость расходов сырья и энергии с избытком. На сегодняшний день 10% сырья идет в производство, а 90% - в отходы. Эффективность использования энергии составляет всего 30%.
2. Строгое соблюдение экологических требований, защита окружающей среды от выбрасываемых отходов производства.
3. Потребность производить материалы более высокого качества.
4. Соответствие темпа перестройки технологии производства и темпа развития рыночной конъюнктуры (ресурс и время жизни технического оборудования – 10-40 лет, технология в идеале должна быть очень гибкой, для того чтобы на одном оборудовании изготовлять разные продукты).
Создать технологию, удовлетворяющую этим требованиям, можно опираясь на следующие принципы:
1. Внедрение достижений фундаментальных наук в технологические процессы.
2. Замена и переход на новые принципы организации промышленных структур (замена дифференциальной монофункциональной структуры производства на интегральную).
3. Внедрение достижений химии во все технологические процессы (химизация хозяйства).
Таким образом,
химическая технология – это наука о наиболее экономичных и экологически целесообразных способах и средствах массовой химической переработки сырья в продукты с заданными свойствами.
Основу химической технологии составляют сырье, энергия и аппаратура. В настоящее время выделяют ряд элементов химической технологии:
физикохимия процесса и поиск оптимальных физико-химических условий его осуществления;
сырье, основные и побочные продукты, отходы производства;
энергетика процесса, условия наиболее эффективного использования энергии;
материалы аппаратуры и средства их защиты от коррозии, создание новых материалов;
организация и охрана труда;
защита окружающей среды и создание экологических технологий;
экономика производства, включая капиталовложения, производительность труда и себестоимость продукции;
развитие принципиально новых химико-технологических процессов, в том числе с использованием экстремальных воздействий (космическая технология, радиационные, плазмохимические, криохимические процессы).
^ ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВАВ современных химических производствах широко используются общие технологические принципы: непрерывность процесса, противоток, кипящий слой (псевдоожижение), утилизация теплоты реакции (благодаря теплообмену), комплексное использование сырья и отходов производства.
^ Принцип непрерывности процесса. Процессы бывают непрерывные, периодические и циркуляционные. В непрерывных процессах исходное сырье непрерывно подается в реакционный аппарат, а продукты химического взаимодействия отводятся из аппарата. Принцип непрерывности используется в производстве чугуна, при обжиге извести, в контактном способе производства серной кислоты, при синтезе аммиака и в производстве водяного газа.
В периодическом процессе стадии смешивания реагирующих веществ, химического взаимодействия и выделения продуктов реакции, составляющие цикл, следуют друг за другом и периодически повторяются через определенные промежутки времени. В каждом цикле условия протекания реакции непрерывно изменяются, так как с течением времени концентрация исходных веществ уменьшается, что ведет к снижению скорости реакции, изменению температуры и т. д. Вследствие этого периодические процессы менее производительны. Их используют в производстве стали, кокса, соляной кислоты и др.
В современной химической промышленности стремятся (там, где это возможно) перейти от периодических к непрерывным способам производства.
В циркуляционном процессе реакционная смесь, покидающая реактор, разделяется. Непрореагировавшие исходные смеси после обогащения реагентами снова направляют в аппарат. Применение циркуляционного принципа способствует более полному использованию сырья и, позволяет значительно повысить производительность процесса.
^ Принцип противотока. Противотоком называется противоположно направленное движение взаимодействующих веществ. Движение веществ в одном и том же направлении носит название прямотока.
Противоток применяют для реализации оптимальных условий массо- и теплообмена (проведение химических реакций, поглощение газов, растворение твердых тел, охлаждение продуктов реакции, нагревание исходных веществ).
^ Принцип кипящего слоя (псевдоожижения). Для образования кипящего слоя газообразные реагенты продувают через отверстия снизу аппарата, а находящиеся в нем твердые исходные вещества при этом как бы кипят, находясь все время во взвешенном состоянии. Этот принцип получил широкое распространение в химической промышленности для интенсификации гетерогенных процессов, т.е. химического или физического взаимодействия веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (обжиг пирита в производстве серной кислоты, каталитический крекинг нефтепродуктов, сушка влажных материалов, сорбция из газовых смесей и растворов и т.д.).
^ Принцип утилизации теплоты реакции. Утилизация теплоты реакции, т. е. использование выделяющейся при химических взаимодействиях теплоты для подогрева исходного сырья или дальнейшей тепловой обработки образующихся продуктов, позволяет резко снижать производственные энергетические затраты. Например, в производстве чугуна в домну подают воздух, нагретый за счет теплоты происходящих реакций.
^ Принцип использования производственных отходов (комплексное использование сырья, безотходная технология). Превращение отходов в побочные продукты производства позволяет полнее использовать сырье, что в свою очередь снижает стоимость продукции и предотвращает загрязнение окружающей среды. Например, из полиметаллических сульфидных руд при комплексной переработке получают цветные металлы, серу, серную кислоту и оксид железа (III) для выплавки чугуна. Комплексное использование сырья служит основой комбинирования предприятий. При этом возникают новые производства, перерабатывающие отходы основного предприятия, что дает высокий экономический эффект и является важнейшим элементом химизации народного хозяйства.
Современная химическая промышленность выпускает десятки тысяч продуктов. Все многообразие химико-технологических процессов можно свести к пяти основным группам: механическим, гидродинамическим, тепловым, массообменным и химическим. Механические - это процессы дробления, измельчения, агломерации, транспортирования твердых материалов, гранулирования и т.п. Гидродинамические - это процессы перемещения жидкостей и газов по трубопроводам, перемешивания, псевдоожижения, очистка газов от пыли и тумана и др. Тепловые - это процессы нагревания, охлаждения, конденсации, выпаривания и т.д. Массообменные - это процессы сорбции, ректификации, растворения, кристаллизации, сушки и т.д. Наиболее важна и многообразна группа химических процессов, связанных с изменением химического состава и свойств веществ. К ним относятся: процессы горения - сжигание топлива, серы, пирита и других веществ; пирогенные процессы - коксование углей, крекинг нефти, сухая перегонка дерева; электрохимические процессы - электролиз растворов и расплавов солей, электроосаждение металлов; электротермические процессы - получение карбида кальция, электровозгонка фосфора, плавка стали; процессы восстановления - получение железа и других металлов из руд и химических соединений; термическая диссоциация - получение извести и глинозема; обжиг, спекание - высокотемпературный синтез силикатов, получение цемента и керамики; синтез неорганических соединений - получение кислот, щелочей, металлических сплавов и других неорганических веществ; гидрирование - синтез аммиака, метанола, гидрогенизация жиров; основной органический синтез веществ на основе оксида углерода (II), олефинов, ацетилена и других органических соединений; полимеризация и поликонденсация - получение высокомолекулярных органических соединений и на их основе синтетических каучуков, резин, пластмасс и т.д.
Организация химического производства - процесс чрезвычайно трудоемкий. Необходимо решить много проблем, связанных с выбором сырья и способов его подготовки, а также определение оптимальных физико-химических параметров ведения химико-технологического процесса (температура, давление, применение катализатора и т.д.).
^ ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Одной из важнейших характеристик всякого технологического процесса является его энергетика.
Основным признаком любой химической реакции является выделение или поглощение теплоты, происходящее при химических превращениях одних веществ в другие. Реакции, протекающие с выделением теплоты, носят название
экзотермических реакций, а сопровождающиеся поглощением теплоты -
эндотермических. К первым относятся, как правило, все реакции соединения, а типичными реакциями второго типа являются реакции разложения.
Количество теплоты, выделяющейся или поглощающейся при химической реакции, называют
тепловым эффектом реакции. Обычно его выражают в килоджоулях (кДж).
Строго говоря, теплота, выделяемая или поглощаемая в результате химического превращения, является своеобразным «участником» химической реакции. Поэтому для соблюдения закона сохранения и превращения энергии количество теплоты, сопровождающее химическую реакцию, должно быть включено в ее уравнение. Уравнения химических реакций, в которых приводятся значения тепловых эффектов, называют термохимическими.
Знак «+» перед значением теплового эффекта в правой части уравнения означает, что теплота выделяется, в то время как для эндотермических реакций тепловой эффект должен быть взят со знаком «-», если он указан в правой части уравнения.
Следует отметить, что значение теплового эффекта в термохимическом уравнении строго соответствует количествам реагентов и продуктов, определяемым стехиометрическими коэффициентами. Наиболее часто встречающейся формой записи термохимических уравнений является такая, согласно которой образуется один моль продукта реакции. Например, тепловой эффект реакции взаимодействия водорода с кислородом
Н2 + 1/2О2 = Н2О(г) + 242 кДж
должен быть удвоен для реакции, в которой используются удвоенные коэффициенты:
2Н2 + О2 = 2Н2О(г) + 484 кДж
В чем же причина поглощения или выделения теплоты при химических превращениях? Каждое тело обладает определенным запасом внутренней энергии. Внутренняя энергия включает все виды энергии, характеризующие тело: энергию движения молекул относительно друг друга, энергию движения электронов и атомов в молекуле и т. д. Запас внутренней энергии каждого тела зависит от природы тела, его массы и от условий, в которых оно находится.
Суммарная внутренняя энергия продуктов реакции в общем случае отличается от суммарной внутренней энергии реагентов, так как в процессе реакции происходит изменение молекулярного состава вещества, а, следовательно, и изменение межатомных расстояний в продуктах реакции по сравнению с исходными реагентами. Одновременно происходит и перестройка электронных оболочек атомов взаимодействующих молекул. Эта суммарная разница как раз и соответствует тепловому эффекту реакции. Очевидно, что он, подобно внутренней энергии, должен зависеть от условий, в которых находятся реагенты и продукты.
Чтобы иметь возможность сравнивать различные химические реакции и производить термохимические расчеты, необходимо относить значения тепловых эффектов к одному и тому же состоянию исходных продуктов и реагентов. В качестве такого состояния, называемого стандартным, обычно выбирают температуру 298К (25°С) и давление 105Па (а также концентрацию 1 моль/л для растворов).
^ ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ
Рассмотрим основные законы термохимии, которые являются частными проявлениями закона сохранения и превращения энергии.
Первый закон термохимии обычно формулируют следующим образом: Тепловой эффект прямой реакции равен по абсолютному значению и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции.
Иначе говоря, осуществив в системе какой-либо химический процесс, а затем ему противоположный, мы возвращаем систему в первоначальное состояние с той же внутренней энергией, какую она имела.
При термохимических расчетах особенно важным является один из видов тепловых эффектов - теплота образования.
^ Теплотой образования называют тепловой эффект реакции образования одного моля химического соединения из простых веществ, устойчивых при данных условиях.
Например, теплота образования силиката кальция есть тепловой эффект реакции, равный 1635 кДж на 1 моль продукта:
Са + Si + 3/2О2 = СаSiO3 + 1635 кДж/моль
Будем в дальнейшем тепловой эффект реакции образования при стандартных условиях обозначать символом Q298
Однако нужно понимать, что в термохимии и термодинамике приняты разные исходные положения для учета изменения энергии при химических реакциях. Термохимия, как было указано ранее, рассматривает, сколько энергии приобрела (или отдала) окружающая среда, в которой происходит химическая реакция. Термодинамика, напротив, учитывает изменения энергии, происходящие в самой реакции, т.е. при переходе исходных реагентов в продукты реакции. При этом в термодинамике тепловой эффект реакции образования, проводимой при постоянном давлении, обозначают символом Н298 (энтальпия), который численно равен, но противоположен по знаку величине Q298. Следовательно, эндотермическим процессам (-Q298) соответствуют положительные значения Н298, а экзотермическим (+Q298) - отрицательные, т.е. - Н298. Например, эндотермическая реакция паров воды с углем с учетом теплового эффекта может быть выражена двумя способами:
Н2О(г) + Ств = СО(г) + Н2(г) - 132 кДж/моль
Н2О(г) + Ств = СО(г) + Н2(г) (Н =132кДж/моль)
Оба способа записи термохимического уравнения химической реакции эквивалентны и показывают, что при взаимодействии паров воды с углем происходит поглощение теплоты.
^ Второй термохимический закон, открытый в 1840 г. известным русским химиком Гессом, является важнейшим и формулируется следующим образом:
Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути ее протекания и определяется только начальным и конечным состоянием системы. Например, силикат кальция можно получить двумя путями:
1) из простых веществ, сжигая эквимолярные количества кальция и кремния совместно в кислороде:
Са + Si + 3/2О2 = СаSiO3 (Н1)
2) из простых веществ, предварительно превращенных в оксиды:
Са + 1/2О2 = СаО (Н2)
Si + O2 = SiO2 (Н3)
с последующим взаимодействием оксидов:
СаО + SiO2 = СаSiO3 (Н4)
В соответствии с законом Гесса получается:
Н1 = Н2 + Н3 + Н4
Закон Гесса часто используют для определения тепловых эффектов, которые трудно или невозможно измерить непосредственно.
Важным следствием закона Гесса является правило, согласно которому тепловой эффект реакции равен разности суммы теплот образования продуктов реакции и суммы теплот образования исходных веществ.
Нx.p. = Нобр (продуктов) - Нобр (реагентов) (1)
Суммирование следует производить с учетом количества вещества, участвующего в реакции, т.е. с учетом стехиометрических коэффициентов в уравнении, например:
Fе2О3 + 3СО = 2Fе + 3СО2 (Н)
Н = 3НCO2 – НFe2O3 – 3НCO
Теплота образования всех простых веществ принята равной нулю.
Знание теплот образования веществ и тепловых эффектов реакций позволяет делать приближенные, но очень важные выводы.
Во-первых, чем больше по абсолютному значению экзотермический эффект образования соединения, тем оно термически устойчивее.
Во-вторых, эндотермические и слабоэкзотермические соединения являются, как правило, химически малоустойчивыми и обладают более высокой реакционной способностью, чем сильно экзотермические вещества.
Наконец, необходимо подчеркнуть, что значения тепловых эффектов реакций образования химических соединений, как и другие их свойства, находятся в периодической зависимости от атомных номеров элементов, образующих эти химические соединения.
^ НАПРАВЛЕНИЕ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Из анализа энергетики химических взаимодействий непосредственно следует еще более важный вывод о принципиальной возможности прогнозирования многих химических реакций. Свыше 100 лет назад основой для таких прогнозов служил принцип Бертло-Томсена, согласно которому химический процесс осуществляется лишь в том случае, если он сопровождается выделением теплоты, т.е. является экзотермическим. Однако на практике оказалось, что многие эндотермические реакции довольно легко осуществляются при повышенных температурах.
Теперь известно, что, помимо стремления к минимуму энергии, в физико-химических системах существует еще одна тенденция - стремление к увеличению беспорядка.
Стремление к переходу в наиболее вероятное состояние характерно для всех систем. Количественной мерой беспорядка системы (неупорядоченности состояния системы) является величина S, называемая
энтропией. Таким образом, с учетом вышесказанного энтропия увеличивается при расширении, плавлении веществ и т.д. Кроме того, энтропия возрастает при переходе вещества из кристаллического состояния в газообразное (Sг>>Sж>Sтв). Величина энтропии, аналогично энтальпии, не зависит от пути протекания реакции и определяется только начальным и конечным состоянием системы, т.е. является функцией состояния системы. Более того, для расчета изменения энтропии при химической реакции также применимы соотношения, аналогичные законам Гесса и следствиям из них:
Sx.p. = Sобр (продуктов) - Sобр (реагентов) (2)
Важной характеристикой состояния системы является общая энергия системы, называемая энергией Гиббса (свободной энергией системы) и определяемая соотношением:
G = H – TS (3)
Являясь функцией состояния системы, также как энтальпия и энтропия, энергия Гиббса при протекании химической реакции определяется следующим образом:
Gx.p. = Нx.p. – ТSx.p. = Gобр (продуктов) - Gобр (реагентов) (4)
Важным свойством энергии Гиббса является ее способность определять направление протекания химического процесса.
Если изменение энергии Гиббса химической реакции меньше нуля (G
Если же это изменение является положительной величиной (G>0), то процесс может протекать в сторону образования исходных веществ.
Из условия G = 0 (состояние равновесия) можно рассчитать равновесные количества веществ, находящихся в равновесном состоянии.
