Учебно-профессиональные задачи курса

алгоритм решения учебно-профессиональных задач

1. Анализ условий задания с точки зрения химии – перевод проблемы на химический язык (выделите химическую проблему из инженерной задачи).

2. Переформулируйте задачу в химическую (проанализировав техническую задачу химически, поставьте четкий химический вопрос).

3. Решение химической задачи с точки зрения структурного, термодинамического и кинетического подходов.

4. Вывод. Дайте краткий обоснованный ответ на первоначальный вопрос задания (инженерной проблемы).

 

Пример 1. Для пакетирования минеральных удобрений - суперфосфата, аммофоса, калийной селитры имеется тара (пакеты) разного качества: негигроскопичные, частичногигроскопичные и бумажные. Предложите оптимальный вариант пакетирования для каждого конкретного удобрения.

1.Анализ условий задачи

Начать надо с анализа условий задачи, выделить, что дано и что требуется определить.

Нам даны три вида минеральных удобрений, для которых следует подобрать упаковку. Значит, минеральные удобрения и будут предметом изучения. Найдем их формулы: аммофос - (NH₄)₃PO₄; калийная селитра – KNO₃; суперфосфат – Ca(H₂PO₄)_2.

Для выработки пути решения попробуем отыскать существенные признаки всех этих веществ. Очевидно, главный из них – принадлежность к классу солей. Соли же характеризуются такими важными понятиями, как растворение, электролитическая диссоциация и гидролиз. Снова обращаемся к условиям задачи, переосмысливаем их с учетом существенных признаков солей. Так как речь идет о гигроскопичности, т.е. о возможном влиянии на соль воды, очевидно, гидролиз солей и будет здесь основным ориентиром. Поэтому наша исходная задача на химическом языке будет звучать следующим образом (переформулировка):

 

2.Химический вопрос

Как протекает гидролиз указанных выше солей?

3.Решение

Для решения этой уже химической задачи вспомним, как относятся к гидролизу различные соли, в частности, вспомним, что соли, образованные сильным основанием и сильной кислотой, гидролизу не подвергаются (KNO₃), а соли, образованные двумя слабыми компонентами гидролизуются полностью [(NH₄)₃ PO₄]; соли же, образованные сильным и слабым компонентами - гидролизуются частично, в зависимости от величины константы диссоциации слабого компонента [Ca(H₂PO ₄)₂].

4.Вывод

Так как аммофос (NH₄)₃PO₄ характеризуется наибольшей способностью к гидролизу, для него должна предназначаться негигроскопичная упаковка; KNO₃ совсем не гидролизуется, поэтому для него можно взять бумагу, а для Ca(H₂PO₄)₂ можно рекомендовать полугигроскопичные пакеты.

Но всё ли мы учли, разрешив пакетирование KNO₃ в бумагу? Химически грамотный инженер это запретит, так как малейшее повреждение такого пакета и, как следствие, попадание соли на металлические поверхности усилит коррозию за счет увеличения электропроводящей среды.

Пример 2. Почему каустическую соду следует перевозить в герметичной таре?

 

1.Анализ условий задачи

Необходимость перевозки каустической соды (NaOH) в герметичной таре связана, видимо, с ее высокой химической активностью. Вследствие этого, она может вступать в химическое взаимодействие с веществами, содержащимися в окружающей среде (СО₂ воздуха).

2.Химический вопрос

Составить реакцию взаимодействия NaOH с CO₂ и определить возможность ее протекания (DG).

3.Решение

2NaOH + CO₂ ® Na₂CO₃ + H₂O

Критерием осуществимости процесса является условие DG<0. Так как DG - функция состояния системы, расчет ведем по следующей формуле DG⁰_х.р. = åDG^0прод._обр. - åDG^0исх._обр.

DG_х.р. = [(- 1046 + (-237,19)] - [2(-380,4) + (-394,38)] = -1283,19 + 1155,18» -128 (кДж/моль)

DG<0, значит реакция идет самопроизвольно.

4.Вывод

Каустическую соду (NaOH) следует перевозить в герметичной таре, т.к. она поглощает из воздуха СО₂ (реакция самопроизвольная, DG<0).

Пример 3. Воду с рН=10-11 для заправки водяной системы охлаждения дизеля, хранящуюся в баках из листового железа, бракуют вследствие ее помутнения и появления механических примесей. Дайте объяснение этому явлению и предложите меры по его устранению.

1.Анализ условий задачи

Очевидно проблема является химической, на что указывает образование труднорастворимых веществ (помутнение воды). Для выяснения природы этих веществ есть смысл обратить внимание на состав воды, материал, из которого изготовлен заливной бак, и щелочную реакцию воды. Начать следует с выяснения состава воды в соответствии с ГОСТом. В случае отсутствия гидролизующихся солей, которые могут дать нерастворимые осадки (схема 7), проблема сводится к действию материала, из которого изготовлен бак (техническое железо). По-видимому, идет коррозия технического железа.

2.Химический вопрос

Как протекает электрохимическая коррозия технического железа в щелочной среде? Что является продуктом этой коррозии?

3.Решение

Следует обратиться к схеме 12 «Коррозия металлов».

А Fe - 2ē ® Fe²⁺

К(_{примеси}) O₂ +2H₂O + 4 ē Û 4OH^-

 

Fe²⁺ + 2OH^- = Fe(OH)₂ ® Fe(OH)₃ ® ржавчина

Таким образом, помутнение воды происходит за счет образования нерастворимого соединения Fe(OH)₃. Щелочная среда (рН=10-11) значительно снижает скорость коррозии железа (равновесие в катодном процессе смещается влево по принципу Ле-Шателье). Для полного устранения коррозии железа следует нанести полимерные покрытия (например, эпоксидные смолы).

4.Вывод

Помутнение воды в баках из листового железа происходит за счет образования гидроксида железа Fe(OH)₃ в результате электрохимической коррозии железа. Для устранения коррозии железа следует нанести на стенки бака полимерное покрытие.

 

Пример 4. Часто на ж.д. путях стоят цистерны с надписью «Не спускать с горки». Что означает это предупреждение? Дать химическое объяснение.

1. Анализ условий задачи

По всей видимости, это связано со взрывоопасностью цистерн, т.е. с возможностью протекания химической реакции за счет дополнительной механической энергии, возникающей при ударе цистерн.

2. Химический вопрос

Рассмотреть влияние на скорость химической реакции дополнительной энергии.

3. Решение

Как известно, для начала любого химического процесса необходима дополнительная энергия (для разрыва связей в исходных веществах), которая называется энергией активации Еа. В данном случае механическая энергия, возникающая при ударе, и будет являться энергией активации.

4. Вывод

Данное предупреждение означает, что удар цистерны может привести к тяжелым последствиям, вызванным увеличением скорости реакции за счет дополнительной Еа (в виде механической энергии).

 

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

 

211. Объясните причины самовозгорания некоторых грузов - угля, зерна, хлопка - при хранении и транспортировке. Дайте химическое объяснение.

212. Объясните причины использования порошков оксида алюминия в качестве абразивных материалов.

213. Назовите наиболее перспективные металлы для вагоностроения. Дайте теоретическое и практическое обоснование. В каких условиях нельзя использовать некоторые из них?

214. Сравните, как пойдет коррозия металлических сооружений:

а) в воде - при низких и высоких температурах (зима - лето, север - юг);

б) в водной и неводной частях - при одной и той же температуре.

215. Известен способ химического тушения пожаров, основанный на использовании растворов К₂SO₄ и KCl. Объясните его действие.

216. При работе кислотного аккумулятора происходит его сульфатация. Что это такое и как бороться с этим явлением?

217. Какой элемент периодической системы и почему чаще всего загрязняет нефтепродукты, уголь, руды, металлы? В чем его вредное действие? Ответ обоснуйте теоретически.

218. Металл какой природы следует выбрать для сварки труб из стали-3? Ответ обоснуйте.

219. Объясните, почему алюминиевые провода иногда делают полыми и наполняют их металлическим натрием.

220. Почему производят «поверхностную закалку» брони (обработкой N₂ или С), а не делают твердым весь металлический предмет целиком?

221. В случае некачественной прокладки, служащей для одностороннего отвода газов, в свинцовой аккумуляторной батарее может произойти взрыв. За счет каких процессов это происходит?

222. При контроле за состоянием щелочной аккумуляторной батареи строго нормируется инструкцией содержание углекислого газа. Почему? Как регенерировать отравленный электролит?

223. Трубопроводы водопроводной системы, сделанные из латуни, со временем становятся хрупкими и приобретают красный цвет. Объясните это явление. Напишите уравнения реакций, описывающих возможный механизм.

224. Объясните, влияет ли доля «подпитки» холодной водой на коррозию трубопроводов тепловой сети. Предложите меры защиты трубопроводов от коррозии.

225. Непросушенное и неохлажденное зерно хранилось в силосах, в результате чего оно в некоторых из них стало возгораться. Директор комбикормового завода дал указание выпускать слежавшееся зерно следующим образом: засыпать горящие силосы сухим зерном и начать выпуск горящего, следствием такого решения явился взрыв. Дайте химическую оценку данной ситуации и предложите меры, которые надлежало принять директору.

226. В АКБ 42-4К-125 электровоза ВЛ-80 в качестве электролита используется раствор КОН с плотностью: летом - 1,19:1,2 г/см; зимой - 1,26:1,28 г/см. Почему в различное время года рекомендуется изменять концентрацию раствора?

227. Почему в качестве абразивных материалов (режущих) часто применяют алмаз, а для смазочных – графит? Дайте теоретическое объяснение.

228. Назовите типы сплавов. Как изменяются их свойства по сравнению с чистыми металлами (электропроводность, пластичность, твердость, температура плавления)? Ответ обоснуйте.

229. Легированная сталь, также как и сталь-3 химически неоднородна. Как Вы можете объяснить тот факт, что первая, в отличие от второй, коррозионно устойчива? Приведите схему коррозии стали-3.

230. В целях соблюдения техники безопасности при обращении с химическими веществами предскажите, какие вещества являются пожароопасными, какие взрывоопасными. Дайте термодинамическое обоснование ответа.

231. Почему взрывоопасные вещества тем не менее при обычных условиях не взрываются? Дайте теоретическое обоснование ответа. Приведите примеры.

232. Какое топливо является экологически чистым: природный газ, нефтепродукты, водород, древесный уголь. Ответ обоснуйте.

233. Растворы медных микроудобрений (CuSO4) нельзя хранить в железных тарах. Почему?

234. Кислотные дожди разрушают металлические конструкции, архитектурные памятники, транспортные средства. Дайте химическое объяснение с помощью соответствующих реакций. Чем отличается коррозия железа в кислой среде от коррозии в нейтральной среде?

235. При выплавке стали в ее составе остается большой процент кислорода, что приводит к образованию раковин (пустот). Поэтому при разливке стали по формам много металла уходит в брак, теряя свою прочность. Для предотвращения этих дефектов добавляют кислородотнимающие элементы: Al, Mg, Si. В какой последовательности добавляют эти элементы? Дайте мотивированный ответ.

236. В алмазах иногда встречаются вкрапления графита, но в графите никогда не обнаруживаются вкрапления алмазов. Объясните, почему так происходит?

237. Какое химическое превращение происходит с гашеной известью в новых кирпичных зданиях? Почему, пока не закончится этот химический процесс стены здания остаются сырыми?

238. Чем объяснить возможность взрыва при работе кислотного аккумулятора? Дайте химическое объяснение.

239. Какими свойства обладают керамические материалы? Назовите область их применения. Дайте структурное и термодинамическое обоснование ответа.

240. Какие трудности возникают при работе свинцового аккумулятора? Ответ аргументируйте.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1.