Задание 25: Химия и жизнь (применение веществ, химическое производство, полимеры)
Особенности задания 25
Задание 25 ЕГЭ проверяет знание практической химии. В нем часто встречаются вопросы на сопоставление вещества и области его применения, мономера и полимера, аппарата химического производства и его функции, а также на разделение смесей и методы переработки нефтепродуктов. Для успешного выполнения необходимо запомнить большой объём фактического материала.
1. Применение наиболее важных веществ
Для успешной сдачи экзамена нужно знать, где в промышленности и быту применяются те или иные химические вещества.
| Вещество | Основная область применения |
|---|---|
| Аммиак (\(NH_3\)) | Производство азотной кислоты, минеральных удобрений, получение мочевины, хладагент, в медицине (нашатырный спирт). |
| Серная кислота (\(H_2SO_4\)) | Производство минеральных удобрений (суперфосфата), аккумуляторная кислота (электролит свинцовых аккумуляторов), осушитель газов, очистка нефтепродуктов. |
| Пероксид водорода (\(H_2O_2\)) | Отбеливатель тканей и бумаги, ракетное топливо (окислитель), антисептик в медицине. |
| Озон (\(O_3\)) и Хлор (\(Cl_2\)) | Обеззараживание (очистка) питьевой воды. Хлор также идет на синтез пластмасс (ПВХ) и отбеливателей. |
| Активированный уголь (\(C\)) | Адсорбент: очистка воды от примесей, улавливание газов (противогазы), медицина (при отравлениях). |
| Метан (\(CH_4\)) | Горючее в быту и на производстве, получение синтез-газа, производство сажи, водорода и ацетилена. |
| Этилен (\(C_2H_4\)) | Синтез полиэтилена, получение этанола, этиленгликоля (антифризы), ускорение созревания плодов. |
| Ацетилен (\(C_2H_2\)) | Сварка и резка металлов, получение уксусного альдегида, ПВХ. |
| Глицерин (\(C_3H_5(OH)_3\)) | Косметология и парфюмерия, пищевая промышленность, получение взрывчатых веществ (нитроглицерин). |
| Фенол (\(C_6H_5OH\)) | Производство фенолформальдегидных смол (пластмасс), антисептиков, лекарств, красителей. |
| Анилин (\(C_6H_5NH_2\)) | Производство анилиновых красителей, лекарственных препаратов, полиуретанов. |
| Толуол (\(C_6H_5CH_3\)) | Растворитель, производство взрывчатых веществ (тротил). |
| Бензол (\(C_6H_6\)) | Растворитель, сырье для органического синтеза (стирола, фенола, анилина). |
| Уксусная кислота (\(CH_3COOH\)) | Консервант в пищевой промышленности, производство ацетатного волокна и растворителей. |
| Гидрокарбонат натрия (\(NaHCO_3\)) | Пищевая сода (разрыхлитель теста), средство от изжоги, чистящее средство. |
| Силикат натрия (\(Na_2SiO_3\)) | Канцелярский (силикатный) клей, огнеупорные покрытия. |
| Оксид кремния (\(SiO_2\)) | Производство стекла, керамики, фаянса, цемента. |
| Соли калия (\(KCl, K_2SO_4, KNO_3\)) | Калийные и комплексные удобрения. |
| Нитрат аммония (\(NH_4NO_3\)) | Аммиачная селитра (азотное удобрение), взрывчатые вещества (аммонал). |
2. Важнейшие химические производства
2.1. Производство аммиака и метанола
Эти производства очень похожи аппаратурным оформлением, так как в обоих случаях из газовой смеси получается жидкий продукт. Реакции экзотермические и обратимые.
- Аммиак: \(N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3 + Q\) (катализатор — губчатое железо с примесями \(Al_2O_3, K_2O\), \(T = 400-500^\circ C\), \(P = 30\) МПа).
- Метанол: \(CO + 2H_2 \rightleftarrows CH_3OH + Q\) (катализатор — \(ZnO, CuO\), \(T = 250-300^\circ C\), \(P = 5-10\) МПа).
| Название аппарата | Назначение процесса |
|---|---|
| Турбокомпрессор | Сжатие исходной газовой смеси до необходимого высокого давления. |
| Колонна синтеза | Протекание химической реакции. Внутри находятся слои катализатора и теплообменник (для подогрева исходных газов за счет теплоты реакции). |
| Холодильник | Охлаждение газовой смеси для конденсации (сжижения) аммиака или метанола. |
| Сепаратор | Отделение жидкого продукта (аммиака/метанола) от непрореагировавших газов. |
| Циркуляционный компрессор | Возврат непрореагировавших газов обратно в колонну синтеза (циркуляция). |
Общие научные принципы: непрерывность процесса, циркуляция непрореагировавших газов (безотходность), теплообмен (использование выделяющейся теплоты для подогрева входящих газов).
2.2. Производство серной кислоты (контактный способ)
Осуществляется в три основные стадии.
| Стадия и уравнение реакции | Основной аппарат | Особенности / Примечания |
|---|---|---|
| 1. Обжиг пирита: \(4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2 \uparrow\) |
Печь для обжига в кипящем слое | Пирит измельчают (для увеличения площади поверхности), продувают воздух снизу ("кипящий слой"). Очистка газа: циклон (улавливает крупную пыль), электрофильтр (улавливает мелкую пыль), сушильная башня (сушка газа концентрированной \(H_2SO_4\)). |
| 2. Окисление \(SO_2\): \(2SO_2 + O_2 \rightleftarrows 2SO_3 + Q\) |
Контактный аппарат | Катализатор — оксид ванадия (V) \(V_2O_5\). Температура \(400-500^\circ C\). Встроен теплообменник для подогрева газов. |
| 3. Поглощение \(SO_3\): \(SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2S_2O_7\) |
Поглотительная башня | Поглощают не водой, а концентрированной \(H_2SO_4\) (чтобы избежать образования сернокислотного тумана). Образуется олеум. Газ подают снизу, а кислоту льют сверху (принцип противотока). Башня заполнена керамическими кольцами (насадка) для увеличения площади соприкосновения. |
3. Переработка углеводородов (нефти, газа, угля)
Нефть и её переработка
Нефть — сложная смесь углеводородов (алканов, циклоалканов, аренов). Её разделяют на фракции и перерабатывают химическими методами для получения топлива и сырья.
- Ректификация (перегонка) нефти: Это физический процесс разделения смеси на фракции по температурам кипения.
- Аппараты: трубчатая печь (нагрев) и ректификационная колонна.
- Фракции по мере увеличения температуры кипения: бензин (до \(200^\circ C\)) → лигроин → керосин → газойль → мазут (остаток).
- Мазут подвергают вакуумной перегонке, получая соляровые масла, смазочные масла и гудрон (идет на асфальт).
- Крекинг: Это химический процесс расщепления длинных углеводородных цепей на более короткие. Главная цель — повышение выхода бензина.
- Термический крекинг: высокая температура без катализатора. Образуются неразветвленные алканы и алкены (бензин низкого качества).
- Каталитический крекинг: температура и катализатор (алюмосиликаты). Образуются разветвленные изомеры и арены, что повышает октановое число (качество) бензина.
- Риформинг (ароматизация): Химический процесс превращения алканов и циклоалканов в ароматические углеводороды (бензол, толуол) для повышения качества бензина.
- Коксование каменного угля: Нагревание угля без доступа воздуха до \(1000^\circ C\). Продукты: кокс (идет в металлургию как восстановитель), коксовый газ, каменноугольная смола (источник ароматики), надсмольная (аммиачная) вода.
4. Металлургия
Металлургия занимается получением металлов из их руд.
- Пирометаллургия: Восстановление металлов при высоких температурах. Восстановители: уголь, кокс (\(C\)), угарный газ (\(CO\)), водород (водородотермия), активные металлы (алюминотермия — восстановление алюминием).
- Гидрометаллургия: Растворение руды (выщелачивание) и последующее восстановление металла из раствора химическим (например, вытеснение более активным металлом) или электрохимическим путем.
- Электрометаллургия: Электролиз расплавов руд. Применяется для получения щелочных, щелочноземельных металлов и алюминия.
- Производство алюминия: Электролиз расплава оксида алюминия (\(Al_2O_3\)) в криолите (\(Na_3AlF_6\)). Криолит нужен для снижения температуры плавления оксида. Аппарат — электролизер с графитовыми (угольными) электродами.
5. Полимеры, пластмассы и волокна
Полимер — высокомолекулярное соединение, молекулы которого (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся структурных звеньев, соединенных химическими связями. Исходное вещество называется мономером.
Классификация полимеров по происхождению:
| Природные (биополимеры) | Искусственные | Синтетические |
|---|---|---|
| Созданы самой природой. Крахмал, целлюлоза (клетчатка), белки, нуклеиновые кислоты, натуральный каучук. |
Получены путем химической модификации природных полимеров. Ацетилцеллюлоза (ацетатное волокно), вискоза, медноаммиачное волокно, целлулоид, нитроцеллюлоза. |
Синтезированы человеком из низкомолекулярных веществ (мономеров). Полиэтилен, ПВХ, полистирол, капрон, лавсан, фенолформальдегидная смола, синтетические каучуки, тефлон. |
Реакции получения полимеров:
- Полимеризация: Соединение молекул мономеров за счет разрыва кратных (двойных или тройных) связей без выделения побочных продуктов.
Примеры: получение полиэтилена (ПЭ), полипропилена (ПП), поливинилхлорида (ПВХ), тефлона, полистирола, бутадиенового каучука. Мономеры всегда содержат кратную связь (например, \(C=C\)). - Поликонденсация: Соединение мономеров, содержащих две или более функциональные группы, сопровождающееся отщеплением побочного низкомолекулярного продукта (чаще всего воды \H_2O\ или хлороводорода \(HCl\)).
Примеры: получение фенолформальдегидной смолы (мономеры фенол и формальдегид), полиамидов (капрон, найлон, энант), полиэфиров (лавсан), полипептидов.
Основные классы полимерных материалов:
- Пластмассы:
- Термопластичные (размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении, их можно переплавлять и перерабатывать): полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, полиметилметакрилат (оргстекло).
- Термореактивные (при формировании образуют трехмерную пространственную сетку, не плавятся и не растворяются, их нельзя переплавить): фенолформальдегидная смола.
- Каучуки: эластичные полимеры (эластомеры).
- Натуральный каучук — полимер изопрена (2-метилбутадиена-1,3) стереорегулярного цис-строения.
- Синтетические: бутадиеновый (СКБ, реакция Лебедева), изопреновый, хлоропреновый, бутадиен-стирольный.
- Вулканизация: нагревание каучука с серой (\(S\)). Сера образует мостики между полимерными цепями. Из каучука получают резину, а при большом избытке серы — эбонит (твердый, неэластичный материал).
- Волокна:
- Натуральные: растительные (хлопок, лён — состоят из целлюлозы) и животные (шерсть, шёлк — состоят из белков).
- Искусственные: вискозное, ацетатное, медноаммиачное (химически измененная целлюлоза).
- Синтетические: лавсан (полиэфирное волокно), капрон, энант, нейлон (полиамидные волокна).
Практика: Разбор типовых заданий
Задача 1. Сопоставление вещества и области его применения
Установите соответствие между веществом и областью его применения: к каждой позиции, обозначенной буквой, подберите соответствующую позицию, обозначенную цифрой.
| ВЕЩЕСТВО | ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ |
|
А) Этилен Б) Озон В) Толуол |
1) Производство резины 2) Обеззараживание воды 3) Растворитель 4) Получение полиэтилена |
Решение:
А) Этилен (\(CH_2=CH_2\)) является мономером в реакции полимеризации для получения пластмассы — полиэтилена. (Цифра 4).
Б) Озон (\(O_3\)) — сильный окислитель, широко применяется на водоочистных станциях для обеззараживания питьевой воды (озонирование воды). (Цифра 2).
В) Толуол (\(C_6H_5CH_3\)) — ароматический углеводород, часто используется как растворитель в промышленности и в быту, а также для синтеза взрывчатых веществ. (Цифра 3).
Ответ: 423
А) Этилен (\(CH_2=CH_2\)) является мономером в реакции полимеризации для получения пластмассы — полиэтилена. (Цифра 4).
Б) Озон (\(O_3\)) — сильный окислитель, широко применяется на водоочистных станциях для обеззараживания питьевой воды (озонирование воды). (Цифра 2).
В) Толуол (\(C_6H_5CH_3\)) — ароматический углеводород, часто используется как растворитель в промышленности и в быту, а также для синтеза взрывчатых веществ. (Цифра 3).
Ответ: 423
Задача 2. Химическое производство и аппараты
Установите соответствие между процессом химического производства и аппаратом, в котором он протекает.
| ПРОЦЕСС | АППАРАТ |
|
А) Разделение нефти на фракции Б) Синтез аммиака из водорода и азота В) Обжиг пирита в производстве серной кислоты |
1) Колонна синтеза 2) Печь для обжига в кипящем слое 3) Поглотительная башня 4) Ректификационная колонна |
Решение:
А) Разделение нефти на фракции по температурам кипения (ректификация) проводится в ректификационной колонне. (Цифра 4).
Б) Непосредственно химическая реакция (\(N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3\)) протекает в колонне синтеза, которая заполнена катализатором. (Цифра 1).
В) Первая стадия получения серной кислоты — обжиг сульфидной руды (например, \(FeS_2\)) — проводится в печи в кипящем слое с подачей воздуха снизу. (Цифра 2).
Ответ: 412
А) Разделение нефти на фракции по температурам кипения (ректификация) проводится в ректификационной колонне. (Цифра 4).
Б) Непосредственно химическая реакция (\(N_2 + 3H_2 \rightleftarrows 2NH_3\)) протекает в колонне синтеза, которая заполнена катализатором. (Цифра 1).
В) Первая стадия получения серной кислоты — обжиг сульфидной руды (например, \(FeS_2\)) — проводится в печи в кипящем слое с подачей воздуха снизу. (Цифра 2).
Ответ: 412
Задача 3. Мономеры и полимеры (тип реакции)
Установите соответствие между высокомолекулярным веществом и способом его получения.
| ПОЛИМЕР | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ |
|
А) Полистирол Б) Фенолформальдегидная смола В) Поливинилхлорид |
1) Полимеризация 2) Поликонденсация 3) Изомеризация 4) Вулканизация |
Решение:
А) Полистирол образуется из стирола (\(C_6H_5-CH=CH_2\)) за счет раскрытия двойной связи без образования побочных продуктов. Этот тип реакций называется полимеризацией. (Цифра 1).
Б) Фенолформальдегидная смола образуется из двух мономеров (фенола и формальдегида) с выделением молекул воды как побочного продукта. Реакция с выделением низкомолекулярного продукта называется поликонденсацией. (Цифра 2).
В) Поливинилхлорид (ПВХ) образуется из хлорэтена (винилхлорида, \(CH_2=CHCl\)) при раскрытии двойной связи. Это также полимеризация. (Цифра 1).
Ответ: 121
А) Полистирол образуется из стирола (\(C_6H_5-CH=CH_2\)) за счет раскрытия двойной связи без образования побочных продуктов. Этот тип реакций называется полимеризацией. (Цифра 1).
Б) Фенолформальдегидная смола образуется из двух мономеров (фенола и формальдегида) с выделением молекул воды как побочного продукта. Реакция с выделением низкомолекулярного продукта называется поликонденсацией. (Цифра 2).
В) Поливинилхлорид (ПВХ) образуется из хлорэтена (винилхлорида, \(CH_2=CHCl\)) при раскрытии двойной связи. Это также полимеризация. (Цифра 1).
Ответ: 121