Сера и ее соединения на уроках химии и экологии

«Сера и ее соединения на уроках химии и экологии»

• ВВЕДЕНИЕ
• Глава 1. Состояние преподавания темы «Сера и ее соединения» в современной средней школе
• 1.1 Программные требования к преподаванию темы «Халькогены»
• 1.2 Опорные конспекты, схемы и таблицы по теме «Халькогены»
• ГЛАВА 2. МОИ УРОКИ
• 2.1 Урок № 1. Положение химических элементов подгруппы кислорода в периодической таблице химических элементов, строение их атомов
• 3.2 Урок № 2. Сера, строение молекул, физические и химические свойства
• 3.3 Урок № 3. Серная кислота, состав, строение, свойства, применение
• 3.4 Урок-зачет по теме «Халькогены»
• 3.5 Система уроков по теме «Кислотные дожди» для 10−11 классов с углубленным изучением экологии
• ГЛАВА 3. БАНК ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ ПО ТЕМЕ «ХАЛЬКОГЕНЫ»
• 3.1 КАРТОЧКИ 1 УРОВНЯ
• 3.2 КАРТОЧКИ 2 УРОВНЯ
• 3.3 КАРТОЧКИ 3 УРОВНЯ
• ВЫВОДЫ
• ЛИТЕРАТУРА

Газообразные и пылевые выбросы очень неблагоприятно влияют на экологическую обстановку в местах расположения промышленных предприятий, а также ухудшают санитарно-гигиенические условия труда. К агрессивным массовым выбросам относятся окислы азота, сероводород, сернистый, углекислый и многие другие газы.

Не менее важной задачей является очистка газов от двуокиси серы. Общее количество серы, которое выбрасывается в нашей стране в атмосферу только в виде сернистого газа, составляет около 16 млн. т. в год. Из этого количества серы можно выработать до 40 млн. т. серной кислоты.

Значительное количество серы, главным образом, в виде сероводорода содержится в коксовом газе. С дымовыми газами из заводских труб и энергетических установок ежегодно выбрасываются в атмосферу несколько миллиардов кубометров углекислого газа. Этот газ может быть использован для получения эффективных углеродсодержащих удобрений.

Серьезный ущерб пылевые и газообразные выбросы приносят тем, что они отравляют воздушный бассейн в городах и на предприятиях: ядовитые газы губят растительность, крайне вредно действуют на здоровье людей и животных, разрушают металлические сооружения и коррозируют оборудование. Учитывая общую экологическую обстановку на планете, необходимо принять самые срочные и самые радикальные меры по очистке выбросных газов от вредных примесей.

В настоящей курсовой работе целью явилось раскрытие основных направлений реализации экологического подхода к преподаванию темы «Сера. Соединения серы» на уроках химии и экологии.

Глава 1. Состояние преподавания темы «Сера и ее соединения» в современной средней школе

1.1 Программные требования к преподаванию темы «Халькогены»

Тема 2. Подгруппа кислорода (4 часа)

Тема 3. Сера

Сера. Аллотропия серы. Физические и химические свойства серы, ее получение и применение, нахождение в природе. Сероводород, его физические и химические свойства, получение и применение, нахождение в природе. Сульфиды. Оксид серы (IV), его физические и химические свойства, получение и применение. Оксид серы (VI), его физические и химические свойства, получение и применение. Сернистая кислота и сульфиты.

Серная кислота, свойства разбавленной и концентрированной серной кислот. Серная кислота как окислитель. Сульфаты. Качественные реакции на сульфид-, сульфити сульфат-ионы.

Демонстрации

Получение аллотропных видоизменений кислорода и серы.

Взаимодействие серы с водородом и кислородом.

Действие концентрированной серной кислоты на металлы (цинк, медь) и органические вещества (целлюлозу, сахарозу).

Лабораторные опыты

Ознакомление с серой и ее природными соединениями.

Практические занятия

Получение и собирание газов (кислород и др.), опыты с ними.

Определение содержания карбонатов в известняке.

Устранение временной жесткости воды.

Исследование восстановительных свойств металлов.

Опыты, характеризующие свойства соединений металлов.

Экспериментальные задачи на получение и распознавание веществ.

Экспериментальное установление генетических связей между классами неорганических соединений.

Расчетные задачи

Вычисление массовой доли химического элемента в соединении.

Установление простейшей формулы вещества по массовым долям химических элементов.

Расчет объемных отношений газов при химических реакциях.

Вычисление массы веществ или объема газов по известному количеству вещества одного из вступивших в реакцию или получающихся веществ.

Расчет теплового эффекта по данным о количестве одного из участвующих в реакции веществ и выделившейся (поглощенной) теплоты.

Вычисления по уравнениям, когда одно из веществ взято в виде раствора определенной концентрации.

Вычисления по уравнениям, когда одно или несколько веществ взяты в избытке.

Вычисление массы или объема продукта реакции по известной массе или объему исходного вещества, содержащего примеси.

Определение выхода продукта реакции от теоретически возможного.

Расчет энтальпии реакции.

Расчет изменения энтропии в химическом процессе.

Расчет изменения энергии Гиббса реакции.

Расчет массы или объема растворенного вещества и растворителя для приготовления определенной массы или объема раствора с заданной концентрацией (массовой, молярной, моляльной).

1.2 Опорные конспекты, схемы и таблицы по теме «Халькогены»

В целях интенсификации процесса обучения в ходе проведения лекции по теме учителем совместно с учащимися составляются опорные конспекты. [4]

ЭЛЕМЕНТЫ ГЛАВНОЙ ПОДГРУППЫ VI ГРУППЫ (халькогены)

Строение внешнего энергетического слоя атомов элементов этой подгруппы следующее:

О, S — ns², np⁴;

Se, Те, Ро — (n — 1) d¹⁰, ns², np⁴.

В общем виде ns², np⁴.

При переходе в возбужденное состояние у всех атомов халькогенов (кроме кислорода) может увеличиваться число неспаренных электронов за счет перехода электронов с nsи nрподуровней на свободный nd-подуровень. При этом проявляются следующие валентные состояния.

· Валентность, равная IV.

ns², np³, nd¹

· Валентность, равная VI.

ns¹, np³,.nd²

СЕРА

Электронная формула серы 1s², 2s², 2p⁶, 3s², 3р⁴

Электронно-графическая формула внешнего электронного слоя:

При переходе в возбужденное состояние происходит переход по одному электрону с 3sи 3р-орбиталей на свободную 3d-орбиталь:

В связи с этим у серы возможны проявления II, IV, VI валентностей. Возможные степени окисления -2, 0, +2, +4, +6.

Например: H₂S^-2 S⁰ S⁺²O S⁺⁴O₂ S⁺⁶O₃

Таблица 1. Химические свойства серы

СЕРНАЯ КИСЛОТА

Таблица 2. Получение серной кислоты контактным способом

Таблица 3. Химические свойства серной кислоты

ГЛАВА 2. МОИ УРОКИ

2.1 Урок № 1. Положение химических элементов подгруппы кислорода в периодической таблице химических элементов, строение их атомов

Цели и задачи: учащиеся должны уметь применять знания о строении атома для характеристики атомов элементов подгруппы кислорода; знать, как изменяется строение атомов элементов главной подгруппы.

Ход урока

I. Организационный момент; проверка домашнего задания

II. Новый материал.

1. Строение атомов кислорода и серы (табл. 4).

Таблица 4. Схемы строения атомов кислорода и серы

Размещение электронов по орбиталям

На наружном энергетическом уровне атомов всех элементов VI A группы находится по 6 электронов. До устойчивого энергетического состояния атома, характерного для благородных газов, недостает двух электронов, которые способны присоединять эти элементы. Поэтому кислород является одним из сильных окислителей: О⁰ + 2е^- О^-2

Кислород в подавляющем большинстве соединений проявляет постоянную степень окисления -2. Исключением являются соединения OF₂, где кислород имеет степень окисления +2, и пероксид водорода Н₂О₂, где кислород имеет степень окисления -1 (Н⁺¹—О^-1—О^-1—Н⁺¹). В подгруппе с возрастанием относительных атомных масс и увеличением атомных радиусов: а) закономерно уменьшаются неметаллические свойства; б) прочность водородных соединений падает; в) сила кислородных кислот уменьшается.

Таблица 5. Возможные степени окисления серы

У атомов серы на третьем энергетическом уровне имеется пять незаполненных d-орбиталей. Поэтому возможно распаривание электронов. В результате этого у атомов серы появляется либо четыре, либо шесть неспаренных электронов, которые при образовании соединений с более электроотрицательным элементом смещаются в его сторону (табл. 5). Этим объясняется степень окисления серы в соединениях с кислородом: S⁺⁴O₂ и S⁺⁶O₃.

III. Закрепление нового материала.

3.1 Ответьте на вопросы:

1. На основе теории строения атомов, используя таблицу, поясните, почему кислород является более сильным окислителем, чем сера. Почему кислород проявляет постоянную валентность?

2. Возможные степени окисления кислорода и серы.

2.2 Урок № 2. Сера, строение молекул, физические и химические свойства

Знать: аллотропные модификации серы; физические и химические свойства, получение и применение серы, оксидов серы (IV) и серы (VI), cерной кислоты, сульфатов; качественные реакции на сульфати сульфид-ионы; химические реакции, лежащие в основе производства серной кислоты; общие научные принципы химического производства.

Уметь: рассматривать в сравнении аллотропные модификации; записывать уравнения реакций, характеризующие свойства серы и ее соединений; рассматривать химические свойства веществ с точки зрения окислительно-восстановительных и ионных представлений.

Основные понятия: аллотропия, аллотропные модификации.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент; проверка домашнего задания

II. Новый материал

1. Сера в природе и ее получение. В природе сера встречается как в свободном состоянии (сопутствует горным породам), так и в виде соединений. Важнейшие природные соединения серы показаны на схеме 1.

Схема 1

2. Получение. Для отделения серы в свободном состоянии от других горных пород пользуются ее легкоплавкостью (112,8°С).

3. Физические свойства серы. Сера — твердое кристаллическое вещество желтого цвета. Как неметалл, она плохо проводит теплоту и не проводит электрический ток. Кусочки серы тонут в воде — ее плотность близка к 2, а порошок серы всплывает (не смачивается водой). Подобно сере в измельченном состоянии водой не смачиваются многие соединения. Этим свойством пользуются для отделения сернистых руд от «пустой породы». Такой метод обогащения руд называется флотацией и используется на практике.

Сера хорошо растворяется в сероуглероде, толуоле и др. При температуре 112,8°С сера плавится, превращаясь в легкоподвижную жидкость желтого цвета. При дальнейшем нагревании она темнеет и густеет. При температуре 444 6 °C она закипает. Если нагретую до кипения серу вылить в холодную воду, то образуется пластическая сера, которая растягивается. Кристаллическая и пластическая сера — это аллотропные видоизменения химического элемента серы.

Кристаллическая сера легко плавится: это свидетельствует о том, что ее кристаллическая решетка должна быть молекулярной. Рентгенографические и другие исследования подтверждают, что кристаллическая решетка серы действительно состоит из кольцевых молекул (рис. 1). При нагревании восьмичленные кольца молекул серы разрываются, превращаясь в длинные цепи (рис. 1), которые могут растягиваться и сокращаться. Это пластическая сера. (Ответьте на вопросы 3—4 ([5], с. 29)).

Рис. 1. Кристаллическая решетка серы, состоящая из восьмичленных колец молекулы серы (а); разрыв восьмичленных колец молекулы серы при нагревании и образование длинных цепей (б).

4. Химические свойства серы. В связи с большим атомным радиусом, чем у кислорода, окислительные свойства серы выражены слабее. Поэтому в реакциях с кислородом сера — восстановитель и проявляет степени окисления +4 и +6 (табл. 6). Окислительные свойства серы проявляются в реакциях с металлами и водородом, а восстановительные — в реакциях с кислородом и галогенами (кроме иода). Химические свойства серы показаны в таблице 6.

III. Закрепление нового материала

1. Пользуясь данными таблиц, объясните, почему у атомов хлора степени окисления выражаются нечетными числами, а у атомов серы — четными. Почему кислород проявляет постоянную валентность, а сера — переменную?

2. Сравните свойства кристаллической и пластической серы. На основе этого примера поясните сущность аллотропии.

Таблица 6

5. Применение серы. Области применения серы показаны на схеме 2

Схема 2

3. Перечислите природные соединения серы, напишите их химические формулы и определите в них степени окисления серы.

4. Составьте уравнения реакций, при которых из простых веществ образуются сложные вещества, формулы которых следующие: Li₂S, ZnS, H₂S, SO₂, CS₂ и SF₆. Используя данные таблицы, поясните, какие свойства (окислительные или восстановительные) проявляет сера в этих реакциях.

5. Как можно получить диоксид серы? Назовите не менее трех способов получения SO₂. Почему диоксид серы может быть и окислителем, и восстановителем?

6. Известно соединение, содержащее 0,27 928 массовых долей, или 27,928%, фосфора и 0,72 072 массовых долей, или 72,072%, серы. Найдите его простейшую формулу.

7. При образовании 1 моль оксида серы (IV) из элементов выделяется 332,8 кДж. Сколько выделится теплоты при сгорании 1 г серы?

Лабораторные опыты

V. Ознакомление с образцами серы и ее природных соединений

Рассмотрите выданные вам образцы серы и ее природных соединений. В тетрадях сделайте запись по следующей схеме:

Название

Химическая формула

Агрегатное состояние

Цвет

Твердость

IV. Домашнее задание

2.3 Урок № 3. Серная кислота, состав, строение, свойства, применение

Цели урока: учащиеся должны знать строение, физические и химические свойства H₂SO₄; уметь на основе знаний о скорости химических реакций и химическом равновесии обосновывать выбор условий течения реакций, лежащих в основе производства серной кислоты; определять на практике сульфати сульфид-ионы.

Основные понятия: сернистый ангидрид, серный ангидрид, комплексное использование сырья.

Ход урока

I. Организационный момент; проверка домашнего задания

II. Новый материал

1. Электронная и структурная формулы. Так как сера находится в 3-м периоде периодической системы, то правило октета не соблюдается и атом серы может приобрести до двенадцати электронов.

(Шесть электронов серы обозначены звездочкой.)

2. Получение. Серная кислота образуется при взаимодействии оксида серы (VI) с водой (SO₃ + Н₂О H₂SO₄). Описание производства серной кислоты приводится в § 16 ([5], с. 37 — 42).

3. Физические свойства. Серная кислота — бесцветная, тяжелая (=1,84 г/см³), нелетучая жидкость. При растворении ее в воде происходит очень сильное разогревание. Помните, что нельзя вливать воду в концентрированную серную кислоту (рис. 2)! Концентрированная серная кислота поглощает из воздуха водяные пары. В этом можно убедиться, если открытый сосуд с концентрированной серной кислотой уравновесить на весах: через некоторое время чашка с сосудом опустится.

Рис. 2. Приготовление раствора серной кислоты

4. Химические свойства. Разбавленная серная кислота обладает общими свойствами, характерными для кислот и специфическими (табл. 7).

Таблица 7

Применение. Серную кислоту широко применяют (рис. 3), она является основным продуктам химической промышленности.

Рис. 3. Применение серной кислоты: 1 — получение красителей; 2 — минеральных удобрений; 3 — очистка нефтепродуктов; 4 — электролитическое получение меди; 5 — электролит в аккумуляторах; 6 — получение взрывчатых веществ; 7 — красителей; 8 — искусственного шелка; 9 — глюкозы; 10 — солей; 11 — кислот.

Серная кислота образует два ряда солей — средние и кислые:

Na₂SО₄ NaHSО₄

сульфат натрия гидросульфат натрия

(средняя соль) (кислая соль)

Соли серной кислоты широко используют, например, Na₂SO₄10H₂O — кристаллогидрат сульфата натрия (глауберова соль) применяют в производстве соды, стекла, в медицине и ветеринарии. CaSO₄2H₂O — кристаллогидрат сульфата кальция (природный гипс) — применяют для получения полуводного гипса, необходимого в строительстве, а в медицине — для накладывания гипсовых повязок. CuSO₄5H₂O — кристаллогидрат сульфата меди (II) (медный купорос) — используют в борьбе с вредителями растений.

III. Закрепление нового материала

1. Зимой между рамами окон иногда помещают сосуд с концентрированной серной кислотой. С какой целью это делают, почему сосуд нельзя заполнять кислотой доверху?

2. Концентрированная серная кислота при нагревании реагирует с ртутью и серебром, подобно тому, как она реагирует с медью. Составьте уравнения этих реакций и укажите окислитель и восстановитель.

3. Как распознать сульфиды? Где они применяются?

4. Составьте уравнения реакций, которые практически осуществимы, используя приведенные схемы:

CuSO₄ + HCl

Hg + H₂SO_4(конц)

Cu + HCl

NaNO₃ + HCl

MgCl₂ + H₂SO_4(конц.)

Na₂SO₃ + H₂SO₄

NaOH + H₂SO₄

Al (OH)₃ + H₂SO₄

При составлении уравнений реакций укажите условия их осуществления. В тех случаях, где это требуется, составьте уравнения в ионном и сокращенном ионном виде.

5. Назовите окислитель в реакциях: а) разбавленной серной кислоты с металлами; б) концентрированной серной кислоты с металлами.

6. Что вы знаете о сернистой кислоте?

7. Почему концентрированная серная кислота является сильным окислителем? Каковы особые свойства концентрированной серной кислоты?

8. Как концентрированная серная кислота взаимодействует с металлами?

9. Где применяются серная кислота и ее соли?

Задачи

1. Какой объем кислорода потребуется для сжигания: а) 3,4 кг сероводорода; б) 6500 м³ сероводорода?

2. Какова масса раствора, содержащего 0,2 массовые доли серной кислоты, которая расходуется на реакцию с 4,5 г алюминия?

Лабораторные опыты

VI. Распознавание сульфат-ионов в растворе. В одну пробирку налейте 1—2 мл раствора сульфата натрия, в другую — столько же сульфата цинка, а в третью — разбавленного раствора серной кислоты. Во все пробирки поместите по грануле цинка, а затем добавьте несколько капель раствора хлорида бария или нитрата бария.

Задания. 1. Как можно отличить серную кислоту от ее солей? 2. Как отличить сульфаты от других солей? Составьте уравнения проделанных вами реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.

IV. Домашнее задание [5]

2.4 Урок-зачет по теме «Халькогены»

Цель урока: Закрепление и проверка знаний и умений учащихся.

Перед проведением тестового контроля (15 мин) с целью закрепления пройденного материала нужно решить задачи по теме. [6]

Задача 1. При полном разложении нитрата щелочного металла масса выделившегося кислорода составляет 8,2% от исходной массы нитрата. Установите формулу нитрата.

Решение

Пусть масса нитрата, вступившего в реакцию, равна 100 г, тогда масса выделившегося кислорода равна 8,2 г.

Запишем уравнение реакции разложения нитрата, обозначив символ элемента буквой X:

NО₃ = 2XNO₂ + О₂.

(у + 62) г/моль 32 г/моль

Находим количества веществ нитрата щелочного металла и кислорода:

(XNO₃) = 100 / (у + 62) (моль); n (О₂) = 8,2 / 32 (моль).

По уравнению реакции из 2 моль нитрата выделяется 1 моль кислорода. Отсюда следует:

2 (8,2 / 32) = 100 / (y + 62).

Решая уравнение, находим, что у = 133. Следовательно, щелочной металл — это цезий.

Задача 2. Напишите уравнения реакций в соответствии со схемой превращений:. В схеме, А — газ, необходимый для дыхания; В — простое вещество желтого цвета; С — удушливый газ, в два раза тяжелее кислорода; D — газ с неприятным запахом тухлых яиц.

Решение

А — кислород; В — сера; С — оксид серы (IV); D — сероводород.

Химические превращения могут быть представлены следующими уравнениями:

O₂ + 2H₂S = 2S + 2H₂O; S + O₂ = SO₂; SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O; S + H₂= H₂S.

Задача 3. Простое вещество, А образуется из газообразного вещества Б во время грозы. Вещество, А неустойчиво и легко превращается в вещество Б. В веществе Б сгорает вещество В красного цвета, образуя вещество Г черного цвета. Если на вещество Г подействовать газообразным веществом Д, которое значительно легче воздуха, можно получить вещество В. Определите состав веществ А, Б, В, Г, Д и напишите уравнения реакций.

Решение

А — озон, Б — кислород, В — медь, Г — оксид меди (II), Д — водород.

Задача 4. В лаборатории имеются вещества: перманганат калия, нитрат натрия, хлорат калия, пероксид бария. Какое из этих веществ нужно использовать, чтобы получить максимальный объем кислорода? Ответ подтвердите расчетами.

Решение

Запишем уравнения реакций получения кислорода из предложенных веществ:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + О₂;

158 г/моль

2NaNО₃ = 2NaNO₂ + О₂;

85 г/моль

2KClO₃ = 2KCl + 3О₂;

122,5 г/моль

2ВаО₂ = 2ВаО + О₂.

169 г/моль

Пусть для получения кислорода использовали равные навески веществ, обозначим их массу буквой т. Определим количество вещества кислорода по каждому уравнению реакции:

n (KMnO₄) = т /158, следовательно, n (0₂) = т /(2 158);

n (NaNO₃) = т /85, следовательно, n (0₂) = т /(2 85);

n (KClO₃) = т /122,5, следовательно, n (O₂) = 3 т /(2 122,5);

n (BaО₂) = т /169, следовательно, n (О₂) = т /(2 * 169).

Сравнивая количества вещества кислорода, которое получается в каждой реакции, делаем вывод, что максимальное количество, а значит, и объем этого вещества можно получить при разложении хлората калия.

Задача 5. Смесь равных масс алюминия и кислорода нагрели в закрытом сосуде в отсутствие воздуха. После окончания реакции к смеси веществ добавили такую же массу расплавленной серы. Во сколько раз масса исходной смеси отличается от массы полученной смеси веществ?

Решение

Пусть в реакцию вступили 100 г алюминия и 100 г кислорода. Найдем количества веществ:

n (Аl) = 100/27 = 3,7 моль;

n (О₂) = 100/32 = 3,1 моль.

По уравнению реакции

4Аl + 3О₂ = 2Аl₂О₃

с 3,7 моль алюминия прореагируют 2,8 моль кислорода. Следовательно, 0,3 моль кислорода останутся в избытке. Этот избыток кислорода будет взаимодействовать с серой: S + О₂ = SO₂

n (S) = 100/32 = 3,1 моль.

Количество вещества оксида серы (IV) будет равно 0,3 моль; 2,8 моль серы останется после реакции. Итак, по окончании всех реакций смесь будет содержать оксид алюминия (3,7/2 моль), серу (2,8 моль) и оксид серы (IV) (0,3 моль). Найдем массу этой смеси:

т = 1,85 * 102 + 2,8 * 32 + 0,3 * 64 = 298 г.

Масса исходных веществ равна 200 г. Масса полученной смеси больше массы исходных веществ примерно в 1,5 раза.

Задача 6. Через раствор массой 280 г, содержащий 0,02 массовые доли гидроксида калия, пропустили 2,24 л оксида серы (IV). Какая соль (кислая или средняя) образовалась? Какова ее масса?

Ответ. Кислая соль KHSO₃ массой 12 г.

Задача 7. Какова массовая доля гидроксида натрия в растворе массой 200 г, если известно, что при пропускании сернистого газа через раствор образуется сульфит натрия массой 25,2 г? Ответ. 8%.

Задача 8. Рассчитайте массу серной кислоты, содержащейся в растворе объемом 2 л с массовой долей кислоты 0,98, плотность раствора 1,84 г/см³. Ответ. 3,6 кг.

Задача 9. Какой объем раствора серной кислоты концентрацией 0,25 моль/л вступает в реакцию с цинком, если при этом выделяется водород объемом 6,72 л (н. у.)? Ответ: 1,2 л.

Задача 10. При полном разложении 56,1 г смеси хлората калия и перманганата калия образовалось 8,96 л кислорода. Определите состав исходной смеси в % по массе.

Ответ. (KMnO₄) = 56,3%; (KClO₃) = 43,7%.

Задача 11. При нагревании 63,2 г перманганата калия получено 3,36 л кислорода. Определите степень разложения перманганата калия (в %) и количественный состав твердого остатка.

Ответ. Степень разложения KMnO₄ — 75%; (K₂MnO₄) = 50,6%; (MnO₂) = 22,3%; (KMnO₄) = 27,1%.

Задача 12. Вычислите объем раствора серной кислоты с массовой долей Н₂SO₄ 96% (= 1,84 г/мл), необходимого для приготовления 2 л раствора с молярной концентрацией 0,25 моль/л.

Ответ: 27,74 мл.

Далее учащимся на доске предлагаются задания для самоконтроля из следующих заданий:

1. Допишите уравнения практически осуществимых реакций:

а) Na₂SO₄ + KCl… ;

б) SO₂ + Cа (ОН)₂… ;

в) Al + O₂… ;

г) KOH + H₂SO₄… ;

д) Сu (OH)₂ + SO₃… ;

е) Ba (OH)₂ + H₂S… ;

ж) H₂SO₄ + Cu… ;

з) CaSO₄ + Ba (NO₃)₂… ;

и) Na₂SO₃ + H₂SO₄… ;

к) Al + H₂SO_{4 (разб.)}… .

2. Какие из предложенных веществ реагируют между собой:

Мg, Ва (ОН)₂, SO₃, Н₂О, Сu (ОН)₂, К₂SO₄, Н₂SO₄, Сu?

Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций.

3. С какими веществами реагирует оксид серы (IV):

H₂O, H₂SO₄, NаСl, NаОН, СаО, О₂, Аl (ОН)₃?

4. Напишите уравнения реакций следующих превращений:

Установите формулы веществ, А и Х.

5. Составьте схемы электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

а) H₂S + НNO₂ S + NO + H₂O;

б) Н₂О₂ + FeSO₄ + Н₂SO₄ Fe₂(SO₄)₃ + Н₂О;

в) Na₂O + NaI + Н₂SO₄ I₂ + Na₂SO₄ + Н₂О;

г) Н₂SO₄ + КВr K₂SO₄ + Вr₂ + SO₂ + Н₂О;

д) Н₂SO₄ + NaI + NаNО₃ I₂ + NO + Na₂SO₄ + Н₂О.

3.5 Система уроков по теме «Кислотные дожди» для 10−11 классов с углубленным изучением экологии

Цели:

раскрыть причины и механизм образования кислотных дождей;

показать их влияние на все компоненты биосферы, в том числе на человека;

обсудить основные методы снижения кислотообразующих выбросов в атмосферу.

На занятиях можно использовать аудиовизуальные технические средства обучения:

плакаты «Шкала кислотности», «Кислотные дожди», «Последствия кислотных дождей»;

дидактический раздаточный материал в виде таблицы, диаграммы источников выбросов в атмосферу оксидов серы и азота, схемы образования кислотных аэрозолей и дождей;

видеофильм Минприроды о состоянии воздушного бассейна России.

Тема «Кислотные дожди» изучается на нескольких уроках и завершается контролем полученных школьниками знаний.

ХОД УРОКА В новое тысячелетие человечество вступает в условиях экологического кризиса. До ноосферы Вернадского как сферы коллективного разума на Земле еще очень далеко. В последней четверти ХХ в. три глобальные экологические проблемы — разрушение озонового слоя Земли, прогрессирующее потепление ее климата и кислотные дожди — сделали вполне реальной угрозу самоуничтожения человечества. Еще в конце прошлого века Энгельс предупреждал: «Не будем, однако, слишком обольщаться нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитывали, но во вторую и третью очередь совсем другие, непредвиденные последствия, которые очень часто уничтожают последствия первых». Знакомство с проблемой кислотных дождей подтвердит нам правоту этих слов.

Преодоление экологического кризиса во всех его проявлениях, ведущих к деградации природы и, как следствие, к деградации и исчезновению человечества, жизненно необходимо. Не должны оказаться пророческими слова великого ученого-естествоиспытателя, впервые создавшего теорию развития живой природы, Жана Батиста Ламарка: «Можно, пожалуй, сказать, что назначение человека заключается в том, чтобы уничтожить свой род, предварительно сделав земной шар непригодным для обитания».

Для успешного разрешения планетарных экологических кризисов и дальнейшего развития человеческой цивилизации необходимо понимание и осознание этих кризисных проблем всеми, в том числе подрастающим поколением, чтобы направить свою деятельность на изменение структуры общественного и хозяйственного устройства, формирование экологического мировоззрения, ответственного за состояние дома, в котором мы все живем, — нашей планеты Земли.

Теперь подробно познакомимся с сутью проблемы кислотных осадков, в том числе дождей.

Кислотные осадки представляют собой различные виды атмосферных осадков (дождь, снег, туман, роса) с кислотностью выше нормы.

1. Понятие кислотности Кислотность водного раствора определяется присутствием в нем положительных водородных ионов Н⁺ и характеризуется концентрацией этих ионов в одном литре раствора C (H⁺) (моль/л или г/л). Щелочность водного раствора определяется присутствием гидроксильных ионов ОНи характеризуется их концентрацией C (ОН-).

Как показывают расчеты, для водных растворов произведение молярных концентраций водородных и гидроксильных ионов — величина постоянная, равная

C (H⁺) C (ОН-) = 10-¹⁴,

другими словами, кислотность и щелочность взаимосвязанны: увеличение кислотности приводит к снижению щелочности, и наоборот.

Раствор является нейтральным, если концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны (каждая) 10−7 моль/л. Такое состояние характерно для химически чистой воды.

Из сказанного следует, что для кислых сред выполняется условие: 10-⁷ < C (H⁺)? 10⁰, для щелочных сред: 10-¹⁴? C (H⁺) < 10-⁷.

На практике степень кислотности (или щелочности) раствора выражается более удобным водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации водородных ионов:

рН = -lgC (H⁺).

Например, если в растворе концентрация водородных ионов равна 10-⁵ моль/л, то показатель кислотности этого раствора рН = 5. При этом изменению показателя кислотности рН на единицу соответствует десятикратное изменение концентрации водородных ионов в растворе. Так, концентрация водородных ионов в среде с рН = 2 в 10, 100 и 1000 раз выше, чем в среде с рН = 3, 4 и 5 соответственно.

В кислых растворах рН < 7, и чем меньше, тем кислее раствор. В щелочных растворах рН > 7, и чем больше, тем выше щелочность раствора.

Шкала кислотности идет от рН = 0 (крайне высокая кислотность) через рН = 7 (нейтральная среда) до рН = 14 (крайне высокая щелочность). Показатель кислотности рН различных веществ, встречающихся в повседневной жизни, приведен на рис. 4.

Чистая природная, в частности дождевая, вода в отсутствие загрязнителей тем не менее имеет слабокислую реакцию (рН = 5,6), поскольку в ней легко растворяется углекислый газ с образованием слабой угольной кислоты:

СО₂ + Н₂О = Н₂СО₃.

Для определения показателя кислотности используют различные рН-метры, в частности дорогостоящие электронные приборы. Простым способом определения характера среды является применение индикаторов — химических веществ, окраска которых изменяется в зависимости от рН среды. Наиболее распространенные индикаторы — фенолфталеин, метилоранж, лакмус, а также естественные красители из красной капусты и черной смородины.

Достаточно точно показатель кислотности рН измеряется с помощью индикаторной бумаги, содержащей кислотореагирующие пигменты (демонстрируется определение рН различных веществ, указанных на плакате (рис. 4) с помощью полосок индикаторной бумаги).

2. Основные антропогенные источники кислотообразующих выбросов Главные кислотообразующие выбросы в атмосферу — диоксид серы SO₂ (cернистый ангидрид, или сернистый газ) и оксиды азота NО_х (монооксид, или оксид азота NО, диоксид азота NO₂ и др.).

Природными источниками поступления диоксида серы в атмосферу являются главным образом вулканы и лесные пожары. Естественная фоновая концентрация SО₂ в атмосфере достаточно стабильна, включена в биохимический круговорот и для экологически благополучных территорий России равна 0,39 мкг/м³ (Арктика) — 1,28 мкг/м³ (средние широты). Эти концентрации значительно ниже принятого в мировой практике предельно допустимого значения (ПДК) по SО₂, равного 15 мкг/м³.

(Школьникам раздают диаграмму «Источники выбросов в атмосферу оксидов серы и азота» (рис. 5), которую они потом вклеивают в свою тетрадь-конспект.)

Общее количество диоксида серы антропогенного происхождения в атмосфере сейчас значительно превышает ее естественное поступление и составляет в год около 100 млн т (для сравнения: природные выбросы SO₂ в год равны примерно 20 млн т). Из них на долю США приходится 20%, на долю России — менее 10%. Диоксид серы образуется при сжигании богатого серой горючего, такого, как уголь и мазут (содержание серы в них колеблется от 0,5 до 5−6%), на электростанциях (~40% антропогенного поступления в атмосферу), в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд, при различных химических технологических процессах и работе ряда предприятий машиностроительной отрасли промышленности (~50%).

При сжигании каждого миллиона тонн угля выделяется около 25 тыс. т серы в виде главным образом ее диоксида (до триоксида окисляется менее 3% серы); в 4−5 раз меньше окисленной серы дает сжигание мазута.

Как показывают данные, приведенные в таблице (учащимся раздают эту таблицу), в России выбросы диоксида серы составляют более 30% всех вредных промышленных выбросов. На предприятиях энергетической отрасли промышленности, черной и цветной металлургии доля выбросов диоксида серы составляет примерно 40 и 50% соответственно (см. табл.). Меньше доля выбросов SO₂ предприятиями нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, угольной и газовой отраслей промышленности (см. табл.) — около 8% собственных выбросов загрязняющих веществ и около 5% суммарных выбросов и оксида серы предприятиями России, хотя предприятия этих отраслей дают примерно пятую часть всех техногенных выбросов загрязняющих веществ.

Анализ техногенных источников выбросов сернистого газа в атмосферу показывает, что выбросы производят высокоразвитые промышленные страны, и это становится проблемой в первую очередь для них и их ближайших соседей.

Данные мониторинга воздушной атмосферы свидетельствуют об увеличении в последние годы доли выбросов азотных соединений в закисление атмосферных осадков.

Содержанию оксидов азота в атмосфере стали уделять внимание лишь после обнаружения озоновых дыр в связи с открытием азотного цикла разрушения озона.

Природные поступления в атмосферу оксидов азота связаны главным образом с электрическими разрядами, при которых образуется NО, впоследствии — NО₂. Значительная часть оксидов азота природного происхождения перерабатывается в почве микроорганизмами, т. е. включена в биохимический круговорот. Для экологически благополучных районов России естественная фоновая концентрация оксидов азота равна 0,08 мкг/м³ (Арктика) — 1,23 мкг/м³ (средние широты), что существенно ниже ПДК, равного 40 мкг/м³.

Оксиды азота техногенного происхождения образуются при сгорании топлива, особенно если температура превышает 1000 °C. При высоких температурах часть молекулярного азота окисляется до оксида азота NО, который в воздухе немедленно вступает в реакцию с кислородом, образуя диоксид NO₂ и тетраоксид диазота N₂O₄. Первоначально образующийся диоксид азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу, однако в воздухе значительная часть оксида азота превращается в диоксид.

При высокотемпературном сгорании органического природного топлива происходят реакции двух типов: между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе (в угле содержание азота составляет в среднем около 1%, нефти и газе — 0,2−0,3%), и между кислородом воздуха и азотом, также содержащимся в воздухе. Техногенные мировые выбросы оксидов азота в атмосферу составляют в год около 70 млн т, примерно 30% их приходится на долю США, 25% - на долю стран Западной Европы и лишь несколько процентов — на долю России (табл. 4). Суммарные антропогенные выбросы оксидов азота в атмосферу больше. Дополнительный источник таких выбросов — сельское хозяйство, интенсивно использующее химические удобрения, в первую очередь содержащие соединения азота. Вклад этой отрасли мирового хозяйства в загрязнение атмосферы оксидами азота учесть трудно, по некоторым данным, поступление оксидов азота в атмосферу с сельскохозяйственных полей сопоставимо с промышленными выбросами.

В России (рис. 6) около 25% выбросов оксидов азота дает сжигание топлива на предприятиях электрои теплоэнергетики, столько же — на предприятиях металлургической, машиностроительной и не связанной с процессами горения топлива химической отраслей промышленности (например, получение азотной кислоты и взрывчатых веществ). Главный источник техногенных оксидов азота в атмосфере — автотранспорт и другие виды моторного транспорта (около 40%). Распределение выбросов оксидов азота по основным отраслям промышленного производства приведены в таблице.

Таблица 8. Выбросы (по годам) вредных веществ

Следует отметить, что при наметившейся в 1990;е гг. в России тенденции снижения выбросов загрязняющих веществ промышленными предприятиями (табл. 8) доля диоксида серы и оксидов азота в этих выбросах увеличивается.

Суммарные выбросы всех загрязнителей в воздушную среду в 1997 г. по сравнению с 1993 г. сократились примерно на 30%, диоксида серы — примерно на 20%, оксидов азота — на 30%. (школьники делают расчеты, пользуясь данными таблицы.)

Однако лишь 20% этих сокращений обусловлены природоохранными мероприятиями и усилением экологического контроля. Основная причина — спад производства, который за эти годы составил более 50%. Расхождение между относительными показателями спада производства и сокращения выбросов свидетельствует о росте отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду в расчете на единицу произведенного продукта. Как показывает анализ, спад производства был неравномерен в различных отраслях хозяйства — наименьшим он оказался в самых экологически напряженных секторах (энергетика, металлургия и др.) и наибольшим — в отраслях, оказывающих относительно слабое воздействие на окружающую среду (машиностроение, оборонная отрасль промышленности и др.), при этом выбросы автотранспорта возросли, причем в крупных городах — очень значительно.

Отметим еще два экономических аспекта рассматриваемой проблемы, оказывающих большое влияние на общую экологическую ситуацию в России, в том числе и связанную с кислотными осадками. К началу спада производства в России (1991) на предприятиях срок эксплуатации наличного промышленного оборудования был запредельным, в базовых отраслях промышленности (среди них те, что дают наибольшие кислотообразующие выбросы) средний возраст оборудования приближался к 30 годам. Изношенное оборудование требует больше ресурсов для эксплуатации, производит больше отходов, отличается повышенной аварийностью. Помимо отсутствия средств на капитальные затраты предприятия не имеют средств и на текущие затраты. В этих критических условиях для снижения удельных затрат на производимую продукцию предприятие экономит на всем и в первую очередь на охране окружающей среды, строительстве или модернизации очистных сооружений и других мероприятиях.

Как следует из ежегодных государственных докладов Госкомэкологии «О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации», данных мониторинга Росгидромета, во многих регионах даже сократившийся поток загрязнений превосходит ассимиляционный потенциал соответствующих экосистем, т. е. является для них заведомо чрезмерным.

3. Механизм образования кислотных осадков Источники поступления окислов серы и азоты в атмосферу могут иметь как природное, так и антропогенное происхождение. Вклад антропогенных источников в образование кислотных дождей во много раз превышает вклад природных источников. На основе изучения процесса возникновения кислотных дождей в атмосфере выделим следующие блоки модели (рис. 6).

Диоксид серы, попавший в атмосферу, претерпевает ряд химических превращений, ведущих к образованию кислот.

Частично диоксид серы в результате фотохимического окисления превращается в триоксид серы (серный ангидрид) SО₃:

2SO₂ + O₂ ® 2SO₃,

который реагирует с водяным паром атмосферы, образуя аэрозоли серной кислоты:

SO₃ + Н₂O ® Н₂SO₄.