Итоговое повторение: химия и жизнь, экология, производство

Цели урока

• Повторить правила безопасного обращения с химическими веществами в быту и лаборатории, меры первой помощи.
• Систематизировать знания о лекарственных препаратах, витаминах, минеральных удобрениях и пестицидах.
• Обобщить сведения о химическом производстве: научные принципы, стадии производства аммиака, серной кислоты, металлов, переработка нефти.
• Вспомнить основные экологические проблемы (кислотные дожди, парниковый эффект, озоновые дыры), источники загрязнения и способы охраны окружающей среды.
• Отработать типовые вопросы задания №25 ЕГЭ.

Зачем это нужно на ЕГЭ

Задание №25 – единственное в экзаменационной работе, которое проверяет прикладные аспекты химии:

• Химия и повседневная жизнь (безопасность, средства гигиены, моющие средства).
• Химия и здоровье (лекарства, витамины, минеральные вещества).
• Химия в сельском хозяйстве (удобрения, ядохимикаты).
• Химическая промышленность (производство важнейших веществ, переработка сырья).
• Химия и экология (загрязнители, парниковый эффект, кислотные дожди, озоновый слой, альтернативная энергетика, переработка отходов).

Задание стоит 1 первичный балл, но его легко получить, если систематизировать информацию и запомнить ключевые факты.

Теория

1. Химия в повседневной жизни. Безопасность

1.1 Безопасное обращение с веществами в быту

• Кислоты и щёлочи (уксусная кислота, нашатырный спирт, средства для чистки труб): вызывают химические ожоги. При попадании на кожу – обильно промыть водой, при попадании в глаза – промывать 15–20 минут, обратиться к врачу. Щёлочи смывают дольше, иногда используют слабый раствор борной кислоты (нейтрализация). Кислоты – слабый раствор соды.
• Бытовые газы (метан, пропан, бутан) – взрывоопасны, токсичны. При запахе газа нельзя включать свет, электроприборы, пользоваться открытым огнём – надо открыть окна, перекрыть вентиль, вызвать службу газа.
• Растворители, лаки, краски – легко воспламеняются, токсичны. Работать в проветриваемом помещении, не курить.
• Средства бытовой химии (хлорсодержащие отбеливатели, средства для чистки сантехники): не смешивать с кислотами (выделяется хлор) и с аммиаком (хлорамин). Например, смесь «Белизны» ($NaClO$) и уксусной кислоты: $NaClO + 2CH_3COOH \rightarrow Cl_2 + CH_3COONa + H_2O$ (зеленовато-жёлтый газ – хлор, отравление).
• Правила хранения: отдельно от пищевых продуктов, в недоступном для детей месте, в оригинальной упаковке.

1.2 Первая помощь при отравлениях и ожогах

• Отравление угарным газом $CO$: вынести на свежий воздух, искусственное дыхание, кислород. Связывание $CO$ с гемоглобином прочнее, чем $O_2$.
• Отравление метанолом ($CH_3OH$): вызывает слепоту. Промывание желудка, антидот – этанол (замедляет окисление метанола до формальдегида и муравьиной кислоты).
• Ожог кислотой: промыть водой, затем 2%-м раствором $NaHCO_3$.
• Ожог щёлочью: промыть водой, затем 1%-м раствором уксусной или лимонной кислоты.

2. Химия и здоровье

2.1 Лекарственные препараты

• Аспирин (ацетилсалициловая кислота) – жаропонижающее, противовоспалительное. Получают этерификацией салициловой кислоты уксусным ангидридом.
• Парацетамол – анальгетик.
• Антибиотики (пенициллин) – подавляют рост бактерий.
• Сульфаниламиды – противомикробные средства.
• Нитроглицерин – сосудорасширяющее (при стенокардии).
• Активированный уголь – адсорбент при отравлениях.

2.2 Витамины

2.3 Минеральные вещества в организме

• Макроэлементы: $Na$, $K$, $Ca$, $Mg$, $Cl$, $P$ – регуляция водно-солевого обмена, нервной деятельности.
• Микроэлементы: $Fe$ (гемоглобин), $I$ (тироксин), $F$ (зубы), $Zn$, $Cu$, $Co$, $Se$ и др.

3. Химия в сельском хозяйстве

3.1 Минеральные удобрения

• Азотные: $NH_4NO_3$, $(NH_4)_2SO_4$, $NaNO_3$, $KNO_3$, $CO(NH_2)_2$ (мочевина) – стимулируют рост зелёной массы. Аммиачная селитра взрывоопасна.
• Фосфорные: простой суперфосфат $Ca(H_2PO_4)_2 + CaSO_4$, двойной суперфосфат $Ca(H_2PO_4)_2$, фосфоритная мука – улучшают цветение и плодоношение.
• Калийные: $KCl$, $K_2SO_4$ – повышают устойчивость к засухе и болезням.
• Комплексные: $NPK$ (нитроаммофоска).

3.2 Ядохимикаты (пестициды)

• Инсектициды (против насекомых), гербициды (против сорняков), фунгициды (против грибков).
• Требуют осторожного применения: накапливаются в почве и продуктах, токсичны для человека.

4. Химическая промышленность

4.1 Общие научные принципы химического производства

• Оптимизация скорости и равновесия: повышение температуры, давления, использование катализаторов, удаление продуктов, рециркуляция сырья.
• Комбинирование производств (безотходные технологии).
• Охрана окружающей среды.

4.2 Производство серной кислоты (контактный способ)

Сырьё: сера или пирит $FeS_2$.
Стадии:

1. Обжиг пирита: $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$ (твёрдый остаток – огарок используется в металлургии).
2. Окисление $SO_2$ в $SO_3$: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3 + Q$ (катализатор $V_2O_5$, оптимальная температура 420–550°C, давление ~1 атм, повышение давления смещает равновесие в сторону $SO_3$, но экономически невыгодно).
3. Поглощение $SO_3$ концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$), а не водой (образуется туман): $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$.

4.3 Производство аммиака (процесс Габера-Боша)

$$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3 + Q$$

Условия: катализатор $Fe$ (с промоторами), температура 400–500°C (смещение равновесия влево, но скорость достаточная), давление 15–30 МПа (смещает равновесие вправо). Водород получают из природного газа ($CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2$), азот – из воздуха.

4.4 Переработка нефти

• Ректификация (физический процесс): разделение на фракции по температуре кипения: газ (C1–C4), бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо, мазут (мазут – остаток, из него получают смазочные масла, битум).
• Крекинг (термический, каталитический) – разрыв связей $C-C$ для получения низкомолекулярных алканов и алкенов (бензина с высоким октановым числом).
• Риформинг – ароматизация (получение аренов из алканов) для повышения октанового числа.
• Пиролиз – разложение при высокой $t$ для получения этилена, пропилена.

4.5 Металлургия

• Чёрная металлургия: восстановление железа из руды ($Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2$) в доменной печи. Чугун (содержит $C$, $Si$, $Mn$), сталь (сплав $Fe$ с $C$ и легирующими добавками).
• Цветная металлургия: получение $Al$ электролизом глинозёма в расплаве криолита ($Na_3AlF_6$), $Cu$ – обжиг сульфидных руд с последующим восстановлением.

4.6 Силикатная промышленность

• Керамика – обожжённая глина ($Al_2O_3\cdot 2SiO_2\cdot 2H_2O$).
• Стекло – сплав $SiO_2$, $Na_2CO_3$ и $CaCO_3$: $Na_2CO_3 + SiO_2 \rightarrow Na_2SiO_3 + CO_2$ и т.д. (натриево-кальциевое стекло).
• Цемент – обжиг смеси глины и известняка (клинкер), затем помол с гипсом.

5. Химия и экология

5.1 Основные загрязнители и их последствия

5.2 ПДК (предельно допустимая концентрация)

• Максимальная концентрация вредного вещества в атмосфере, воде, почве, не оказывающая вредного воздействия на здоровье.

5.3 Охрана окружающей среды

• Очистные сооружения (механическая, химическая, биологическая очистка сточных вод).
• Улавливание $SO_2$ из дымовых газов (известняк: $CaO + SO_2 \rightarrow CaSO_3$).
• Каталитические нейтрализаторы выхлопных газов ($CO$, $NO_x$ дожигают до $CO_2$ и $N_2$).
• Переработка отходов (вторсырьё: стекло, пластик, металл, бумага).
• Использование альтернативных источников энергии (солнце, ветер, водород, биотопливо).
• Законодательное ограничение выбросов, озоновый мониторинг, запрет фреонов (Монреальский протокол).

Примеры решения задания №25

Пример 1 (безопасность)

Условие: Какие правила безопасности необходимо соблюдать при использовании бытового газа? Что нельзя делать при появлении запаха газа?

Решение:
При использовании газа нельзя оставлять работающие горелки без присмотра, сушить бельё над плитой, включать газ без зажигания. При запахе газа нельзя зажигать спички, включать/выключать электроприборы (искра), пользоваться телефоном в помещении. Надо перекрыть вентиль, открыть окна, вызвать газовую службу с улицы.

Ответ (кратко): Нельзя использовать открытый огонь и электроприборы; перекрыть газ, проветрить, вызвать специалистов.

Пример 2 (лекарства, витамины)

Условие: Какое химическое соединение является основным компонентом активированного угля, применяемого при отравлениях? Каков принцип его действия?

Решение:
Активированный уголь – пористый углерод. Адсорбирует (поглощает поверхностью) яды и токсины из желудочно-кишечного тракта, препятствуя их всасыванию.

Ответ: Углерод $C$, адсорбция.

Пример 3 (сельское хозяйство)

Условие: Какое удобрение вносят для повышения устойчивости растений к засухе? Приведите пример формулы.

Решение:
Калийные удобрения повышают устойчивость к засухе, болезням. Пример: $KCl$, $K_2SO_4$.

Ответ: Калийные, $K_2SO_4$.

Пример 4 (химическая промышленность)

Условие: Почему в производстве серной кислоты контактным способом для поглощения $SO_3$ используют не воду, а концентрированную серную кислоту?

Решение:
При поглощении $SO_3$ водой образуется аэрозоль (мелкие капли $H_2SO_4$), который не улавливается и улетучивается, снижая выход. Концентрированная $H_2SO_4$ поглощает $SO_3$ с образованием олеума ($H_2SO_4 \cdot SO_3$), который затем разбавляют.

Ответ: Чтобы избежать образования тумана и потерь продукта.

Пример 5 (экология)

Условие: Назовите основную причину разрушения озонового слоя. Какие вещества запрещены Монреальским протоколом?

Решение:
Причина – выброс фреонов (хлорфторуглеродов), которые под действием УФ-излучения выделяют атомы хлора, каталитически разрушающие озон: $Cl + O_3 \rightarrow ClO + O_2$, $ClO + O \rightarrow Cl + O_2$. Запрещены хлорфторуглероды (фреоны), галлоны (бромфторуглероды) и др.

Ответ: Фреоны. Запрещены хлорфторуглероды.

Вопросы для самопроверки

1. Какие вещества нельзя смешивать при чистке сантехники? Почему?
2. Каков антидот при отравлении метанолом?
3. Для чего нужны витамины группы $B$? Приведите два примера.
4. Какое минеральное удобрение нельзя вносить одновременно с известью? Почему?
5. Назовите три стадии производства серной кислоты контактным способом.
6. Для чего нужен каталитический крекинг нефти?
7. Какие экологические проблемы связаны с оксидами серы и азота?
8. Что такое парниковый эффект? Назовите основные парниковые газы.

Краткий конспект

• Безопасность: кислоты, щёлочи, газ – правила, первая помощь. Не смешивать хлорсодержащие средства с кислотами или аммиаком.
• Здоровье: аспирин, парацетамол, антибиотики, активированный уголь. Витамины (A, C, D, B1, B12) и их роль. Минеральные элементы ($Fe$, $I$, $Ca$).
• Сельское хозяйство: азотные (рост), фосфорные (плодоношение), калийные (устойчивость) удобрения. Ядохимикаты.
• Промышленность: производство $H_2SO_4$ (обжиг, контактный аппарат, поглощение в олеум), $NH_3$ (процесс Габера, давление 15–30 МПа, $t$ 400–500°C, катализатор $Fe$). Переработка нефти: ректификация, крекинг, риформинг, пиролиз. Металлургия: доменный процесс, электролиз $Al$. Стекло, керамика, цемент.
• Экология: кислотные дожди ($SO_2$, $NO_x$), парниковый эффект ($CO_2$, $CH_4$, фреоны), озоновые дыры (фреоны). ПДК. Очистка выбросов, переработка отходов, альтернативная энергетика.

Что изучать дальше

• Урок 76 «Комбинированные расчётные задачи (смеси, последовательные реакции)» — задание 34 высокого уровня.
• Урок 77 «Практикум по решению расчётных задач разных типов» — задания 26–28, 33, 34.
• Урок 78 «Итоговый практикум: полные варианты ЕГЭ» — отработка всего экзамена.

Для уверенного выполнения задания 25 достаточно повторить приведённый материал и решить 10–15 типовых вопросов из сборников. Эта тема не требует сложных расчётов, только знание фактов.