Курсовая работа: Методические разработки урока по теме "Спирты"
Гидролиз
древесины —
каталитический процесс взаимодействия полисахаридов (целлюлозы, пентозанов и
гексозанов гемицеллюлоз) с водой. При этом они превращаются в соответствующие
моносахариды: ксилозу, a-D-глюкозу и т. д., например:
Катализаторы процесса гидролиза —концентрированные и разбавленные
кислоты или кислые соли. При этом скорость гидролиза возрастает с увеличением
константы диссоциации кислоты, ее концентрации и при повышении температуры
гидролизата существенно зависят от природы катализатора. Гидролиз в присутствии
разбавленной серной кислоты (0,4—0,7 %-ной) проводят при температуре 120—190
"С и давлении 0,6—1,2 МПа. В результате получают гидролизат, загрязненный
фурфуролом, органическими кислотами и другими веществами. Это объясняется тем,
что параллельно с гидролизом протекают реакции разложения образовавшихся
моносахаридов, скорость которых с повышением температуры также возрастает.
Поэтому, несмотря на то что константа скорости реакции гидролиза больше
константы скорости реакции разложения, выход гексоз в этом Случае не превышает
70 % от теоретически возможного при степени гидролиза около 90%. Гидролиз в
присутствии концентрированных кислот (70— 80 %-ной серной кислоты или 31—41
%-ной соляной кислоты) проводят при температуре не выше 60 "С и атмосферном
давлении. Он дает чистый гидролизат с выходом моносахаридов до 95% от
теоретически возможного.
Брожение (ферментация) процесс разложения углеводов под воздействием
микроорганизмов или выделенных из них ферментов. В производстве этанола
используют одну из разновидностей брожения — спиртовое брожение, вызываемое
ферментом зимазой, содержащимся в дрожжевых клетках. Из моносахаридов
спиртовому брожению подвергаются только гексозы. Процесс спиртового брожения, a-D-глюкозы, составляющей
структурную единицу целлюлозы, происходит без доступа кислорода (анаэробное
брожение) и включает ряд стадий с участием фосфорорганических соединений. В
результате сложных превращений из глюкозы образуется этанол.
Параметры
процесса брожения выбирают, исходя из оптимальных условий развития дрожжевых
клеток и подавления развития их спутников — кислотообразующих бактерий
молочнокислого и уксуснокислого брожения.
Так как оптимальные температуры размножения дрожжевых клеток
практически совпадают и равны 35— 50 °С, то подавить развитие бактерий
изменением температуры нельзя. Для этого повышают кислотность среды, вводя в
гидролизат серную или молочную кислоту. При рН 4,2 дрожжевые клетки интенсивно
растут, а бактерии не размножаются. Поэтому на практике процесс брожения
проводят при температуре 27 С, атмосферном давлении и в кислой среде (рН=
=3,8—4,0).
Технологическая схема производства этанола гидролизом древесины. Процесс производства
этанола складывается из двух последовательных стадий; объединенных в единую
технологическую схему: гидролиза древесины и сбраживания образующегося гидролизата.
В нашей стране распространен метод гидролиза древесины разбавленной серной
кислотой. В качестве сырья используют отходы хвойной древесины с высоким
содержанием гексозанов.
Производство этанола по этой схеме представляет собой
полунепрерывный перколяциоиный процесс, в основе которого лежит принцип:
непрерывной фильтрации раствора кислоты через периодически загружаемое в
реактор древесное сырье с непрерывным в течение нескольких часов отбором
гидролизата.. При этом раствор кислоты служит одновременно экстрагентом
образующихся при гидролизе моносахаридов. Схема производства этанола гидролизом
древесины приведена на рис. 2.
Древесное сырье в виде опилок или измельченной щепы загружают в
гидролиз-аппарат 1 — цилиндрический стальной сосуд, футерованный внутри
кислотоупорным материалом. После загрузки сырья в аппарат через специальное
оросительное устройство подают нагретый до 1$0—190 °С раствор серной кислоты
концентрацией около 0,5 %. Воду для получения раствора кислоты подогревают в
подогревателе 2. В гидролиз-аппарат вводят также пар и создают давление 1,0—1,2
МПа. Через фильтрующее устройство, расположенное в нижней части гидролиз-аппарата
и выполненное в виде перфорированных медных трубок, из аппарата непрерывно
отводят гидролизат и направляют его в испаритель 4. Вследствие снижения
давления гидролизат вскипает и пары, содержащие фурфурол (tKHn= 161,7 °С при атмосферном
давлении), поступают в конденсатор 5. Цикл непрерывной работы гидролиз-аппарата
от загрузки до выгрузки составляет несколько часов, затем оставшийся в нем
лигнин передавливают после открытия заслонки в сборник после этого в аппарат
загружают новую порцию древесного сырья.
После
отделения фурфурола гидролизат из испарителя поступает в нейтрализатор 6, куда
подают раствор гидроксида кальция, а оттуда —
Сульфитный щелок подают в колонну /, где из него паром выдувают
примеси. Очищенный щелок поступает в нейтрализатор 2, куда подают раствор
гидроксида кальция и вводят питательные соли. Из нейтрализатора щелок после
охлаждения до 30 °С в холодильнике 4 направляют сначала на первую ступень брожения
в дрожжанку 5, а затем на вторую ступень брожения в бродильный чан 6 и в.
сепаратор 7. В сепараторе дрожжи отделяются от образовавшейся бражки, и их
возвращают в дрожжанку. После сепаратора бражку, содержащую 1,0— 1,2 % спирта,
направляют на концентрирование и выделение этанола аналогично тому, как это
происходит в производстве гидролизного этанола (см. рис. 2).
Переработкой сульфитных щелоков можно получить (в расчете на 1 т
воздушно-сухой древесины) 90—110 л этанола, 40—50 кг белковых дрожжей, 600—700
кг сухих лигносульфонатов.
Комплексная
переработка сульфитных щелоков имеет и большое значение в экологическом плане.
Существующие промышленные способы производства целлюлозы не обеспечивают полной
утилизации и переработки его отходов — варочных сульфитных щелоков и отдувочных
газов. Вследствие этого целлюлозно-бумажная промышленность в настоящее время —
одна из основных источников загрязнения водоемов сточными водами.
этанол
урок одноатомный спирт
Глава
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ «СПИРТЫ»
Система уроков по теме: "Предельные одноатомные спирты"
Пояснительная
записка.
Все
классы органических соединений преподаю блоками. Блок состоит из трех частей:
1.
урок-лекция,
2.
тренировочные
домашние упражнения,
3.
урок-коррекция.
Урок-лекция
(объяснение нового материала).
Цели:
-
ввести понятие предельных одноатомных спиртов, свойств;
-
развитие интереса, умения выделять главное, научить сравнивать и анализировать.
1.
Определение.
Органические
соединения, которые состоят из предельного углеводородного радикала и содержат
одну функциональную гидроксильную группу (-ОН), называются насыщенными
одноатомными спиртами.
Общая
формула СnН2n+1ОН ( где n1) или R – ОН
2.
Гомологический ряд и номенклатура
СН3
ОН – метиловый спирт (метанол),
СН3
СН2ОН – этиловый спирт (этанол)….
-
СН2 - гомологическая разница
Пример:
3-метилгексанол – 1
2.
Изомерия положения функциональной группы (-ОН)
Пример:
бутанол-1 -> бутанол-2
3.
Изомерия между классами (предельные одноатомные спирты изомерны простым эфирам)
4.
Физические свойства
1)
Спирты от С1 до С11 – жидкости, от С12 до С - твердые.
2)
Легче воды, бесцветны, жидкие имеют резкий запах, твердые запаха не имеют.
3)
Низшие спирты (до пропилового) смешиваются с водой в любых отношениях. Высшие
спирты практически нерастворимы в воде.
Межмолекулярная
водородная связь возможна между отдельными молекулами спирта и между молекулами
спирта и воды. Это влияет на физические свойства спиртов: повышает температуру
кипения, снижает летучесть, способствует хорошей растворимости в воде, не
позволяет перегонкой получить 100% спирт из его водного раствора.
5.
Химические свойства (с примерами):
1)
горение,
2)
взаимодействие с активными металлами;
3)
взаимодействие с органическими кислотами, с неорганическими кислотами;
4)
с галогеноводородами;
5)
окисление
-
первичный спирт -> альдегид,
-
вторичный спирт -> кетон,
-
третичный спирт: тяжело окисляется с разрывом С-С связи;
6)
дегидратация:
-
внутримолекулярная,
-
межмолекулярная с образованием простых эфиров;
7)
дегидратация и дегидрирование (реакция Лебедева).
6.
Получение одноатомных спиртов (с примерами).
В
промышленности:
1) получение
СН3 ОН
- из
синтез-газа
- во время
сухой перегонки древесины (древесный спирт),
2) гидратация
алкенов,
3) брожение
сахаристых веществ.
В лаборатории:
1) из алканов
через галогенопроизводные,
2)
восстановление альдегидов.
Физиологическое
действие
спиртов на организм негативно.
СН3
ОН – сильный яд! В малых количествах вызывает слепоту, в больших – приводит к
смерти.
С2Н5ОН
– наркотик. Под влиянием этанола у человека ослабляется внимание,
затормаживается реакция, нарушается корреляция движений. При продолжительном
употреблении вызывает глубокие нарушения нервной системы, заболевания
сердечно-сосудистой системы, пищеварительного тракта, наступает тяжелая болезнь
– алкоголизм.
7.
Применение спиртов.
1)
Метанол:
- в
промышленном органическом синтезе (производство формальдегида),
- как
растворитель,
- как добавка
к бензину.
2) Этанол:
-
производство уксусной кислоты,
- как
растворитель,
- в
парфюмерии,
- в медицине,
- как
топливо,
- в пищевой
промышленности.
8.
Связь между ациклическими углеводородами и спиртами (показать на примерах).
Домашнее
задание: пар. 17 (учебник О.С. Габриелян), тренировочные упражнения.
Приложение
1.
Закрепление (если позволяет время)
1.
Назвать
по международной номенклатуре (2-4 примера).
2.
Написать
структурные формулы изомерных спиртов С4Н9 ОН и назвать
их.
Приложение
2. Тренировочные
домашние упражнения.
Тема:
“Одноатомные спирты”.
Сложность
1
(оценка “удовлетворительно”).
1.
Написать
структурные формулы следующих соединений: 2-метилпентанол-1;
2,3-диметилбутанол-2; 2-метилпентен-1-ол-3.
2.
Назвать
вещество и написать два его гомолога и два изомера
1.
Какой
объем водорода выделится при взаимодействии 19,5 г калия с этанолом.
Сложность
2
(оценка “хорошо”).
1.
Чем
объясняется изомерия спиртов? Пояснить это на примере спирта, в молекуле
которого четыре атома углерода. Назвать каждый изомер.
2.
Написать
реакции получения метанола.
3.
Осуществить
превращения:
Этан
-> бромэтан-> этен-> этанол-> метилэтиловый эфир. Где происходит
дегиратация?
4.
При
сжигании 4,8 г органического вещества образовалось 3,36 л оксида углерода (IV) и 5,4 г воды. Плотность паров этого вещества по метану 2. Определить
формулу вещества.
Сложность
3
(оценка “отлично”).
1.
Чем
отличаются первичные, вторичные и третичные спирты? (Привести примеры каждого и
назвать их)
2.
Предложить
схему получения из пропана пропанол-1.
3.
Осуществить
превращения (предложить две цепочки).
4.
При
межмолекулярной дегидратации 100г одноатомного предельного спирта неизвестного
строения выделилось 21,09 г воды и выход продукта реакции составил 75% от теоретического.
Определить строение спирта.
Урок-коррекция.
1
этап.
10-15 минут. Учащиеся задают вопросы по тренировочным упражнениям.
2
этап.
20-30 минут. Самостоятельная работа. Работа разноуровневая. Учащиеся выбирают
любой вариант.
Самостоятельная
работа (тема:
“Одноатомные спирты”).
Оценка
“удовлетворительно”
Вариант 1 |
Вариант 2 |
1.
Какие
вещества называют спиртами? (привести примеры).
2.
Какие
спирты образуются в результате гидратации следующих веществ: этена, бутена-2.
3.
Осуществить
превращения:
1)С2Н 5
ОН->С2Н 4 ->С2Н 5 Cl->С2Н5
ОН
2)ацетилен- >А->
этанол
4. При взаимодействии 12,8 г спирта с натрием образовалось 4,48 л водорода. Какой это спирт?
|
1.
Написать
общую формулу спиртов. Что такое функциональная группа?
2.
Написать
уравнение гидролиза водным раствором щелочи следующих соединений: хлорэтана,
2-хлорбутана.
3.
Осуществить
превращения:
1)СН 4 ->
С2Н 2 -> С2Н 4 -> С2Н
5 ОН
2)этанол -> А->
этан
4. При дегидратации 12 г спирта образовался алкен и 3,6 г воды. Какой это спирт?
|
Оценка
“хорошо”
Вариант 3 |
Вариант 4 |
1.
Объяснить
образование водородных связей между молекулами спирта и влияние на физические
свойства.
2.
Как
получить спирты из алкенов (привести два примера).
3.
Осуществить
превращение: оксид углерода (IV) – метанол – хлорметан – этан – углекислый
газ.
4.
Найти
молекулярную массу вещества А: пропанол-1 – А - пропанол-2
5.
0,5
моль метанола нагрели с KBr и H2SO4 и получили 38 г бромметана. Найти выход бромметана
|
1.
Как
доказать, что спирты отравляюще и пагубно действуют на организм человека.
2.
Дописать
уравнения и назвать вещества.
1.
СН 3
– CHCl - СН 2 - СН 3 + КОН(водн)
2.
СН 3
– CHCl - СН 2 - СН 3 + КОН(спирт)
1.
Осуществить
превращения: метан – этан – этен – этанол – углекислый газ
2.
Определить
молекулярную массу вещества А: этанол – А – 1,2-дихлорэтан.
3.
Какая
масса этилата натрия получится при взаимодействии этанола массой 11,5 г с натрием массой 9,2 г?
|
Оценка
“отлично”
Вариант 5 |
Вариант 6 |
1.
Почему
температура кипения спиртов намного выше, чем соответствующих углеводородов?
2.
Сколько изомерных бутиловых спиртов может образоваться из
изомерных алкенов С4Н 8 при их гидратации?
3.
Написать
уравнения реакций, в результате которых можно получить из метана
бутадиен-1,3.
4.
Метанол
массой 2,04 кг получили взаимодействием оксида углерода (11) объемом 2 м3 с водородом объемом 5 м3 (ну). Найти выход продукта реакции.
5.
Определить
массу пропанола-2, взятого для реакции, если во время дегидратации
пропанола-2 получили пропен, который обесцветил бромную воду массой 200 г. Массовая доля брома в бромной воде равна 3,2%.
|
1.
Почему
нельзя физическими методами получить 100%-ный этанол из его водного раствора?
2.
Сколько изомерных третичных спиртов имеют состав .С6Н13
ОН ? Написать формулы и назвать .
3.
Написать
уравнения реакций, в результате которых можно получить из метана диэтиловый
эфир.
4.
Какую
массу бутадиена-1,3 можно получить из спирта объемом 230 л и плотностью 0,8 кг/л, если массовая доля этанола в спирте 95%? Выход продукта реакции
составляет 60%.
5.
Вычислить
массу добытого продукта, если выход на обеих стадиях синтеза составляет по
60%, если известно, что из пропанола-2 массой 24 г добыт 2-бромпропан, из которого синтезировали 2,3-диметилбутан.
|
Химические
свойства спиртов
Одноатомные
спирты не обладают ни щелочными, ни кислотными свойствами. Водные растворы
спиртов на индикаторы не действуют.
Рассмотрим
химические свойства спиртов на примере этанола. В молекуле этилового спирта СН3–СН2–ОН
имеется четыре типа химических связей, различающихся полярностью: 1) Н–О;
2)
С–О; 3) С–Н; 4) С–С. В результате химических превращений разрываются наиболее
полярные связи Н–О, С–О и С–Н. Неполярная связь С–С в реакциях спиртов не
разрывается.
1. Разрыв связи Н–О в реакции с натрием:
2. Одновременный разрыв связей Н–О и С–Н, находящихся
при спиртовом атоме углерода, под действием окислителя (CuO) с отщеплением
молекулы Н2О и образованием альдегида (СН3СНО):
2.
Разрыв
связи под действием
нуклеофильных реагентов (ионов В– или молекул с неравномерным
распределением заряда в молекуле ) в кислой среде.
3.
а)
Действие кислот НСl или НВr с образованием галогеналканов:
б)
Действие кислородсодержащих кислот – неорганических и органических – с
образованием сложных эфиров (подробнее см. урок 29):
Модель
нуклеофильного и электрофильного процессов
4. Внутримолекулярное отщепление Н и ОН от соседних
атомов С в присутствии концентрированной серной кислоты при нагревании с
образованием алкена:
5. Межмолекулярное отщепление Н и ОН от двух разных
молекул спирта при умеренном нагревании в присутствии дегидратирующих агентов.
Продукт реакции – простой эфир:
6. Спирты горят на воздухе с расщеплением всех
связей и образованием углекислого газа и воды:
С2Н5ОН
+ 3О2 2СО2 + 3Н2О.
Задача. Составьте уравнения реакций пропанола-1
СН3СН2СН2ОН со следующими реагентами: а) Na;
б) CuO; в) HCl в присутствии H2SO4 (конц.) при
нагревании; г) H2SO4 (конц.) при 160 °С (продукт – алкен);
д) H2SO4 (конц.) при 140 °С (продукт – простой
эфир).
Решение
1. Составьте уравнения реакций пропанола-2 СН3СН(ОН)СН3
со следующими реагентами:
а) Na; б) CuO; в) HCl в
присутствии H2SO4 (конц.) при нагревании; г) H2SO4
(конц.) при 160 °С (продукт – алкен); д) H2SO4 (конц.)
при 140 °С (продукт – простой эфир).
2. Алюминий реагирует со спиртами подобно натрию.
При этом происходит замещение гидроксильного водорода на металл и выделение
свободного водорода Н2. Реакция протекает при нагревании около температуры
кипения спирта. Составьте уравнения реакций металлического алюминия со
спиртами: а) метанолом; б) этанолом.
3. Почему температуры
кипения спиртов выше, чем у соответствующих по молекулярной массе углеводородов
(С2Н5ОН, Мr = 46, tкип =
78 °С; С3Н8, Мr = 44, tкип =
–42 °С)?
4. Напишите схему реакций, с
помощью которых пропанол-1 можно превратить в пропанол-2.
Из
спиртов ROH получают соединения многих других классов: алкилгалогениды RHal,
алкены R'СН=СН2, простые эфиры RОR', сложные эфиры R'СООR, альдегиды
R'СНО, карбоновые кислоты R'СООН и т.д. Спирты используют в качестве
растворителей при синтезе новых соединений, производстве лаков и красок,
фармацевтических препаратов, душистых веществ, парфюмерно-косметической
продукции. Этанол используют как дезинфицирующее средство, горючее в
двигателях. Он идет также на изготовление алкогольных напитков.
Применение
этилового спирта
Для
прочного усвоения знаний по химии надо овладеть умением составлять и решать
цепочки химических превращений. Решить цепочку – это значит записать уравнения
реакций, соответствующие каждой стрелке схемы. В результате удается из
имеющихся в наличии веществ получать новые необходимые вещества. Для решения
цепочек необходимо знать:
а)
способы получения веществ и б) химические свойства веществ различных классов.
Пример
цепочки химических превращений в производстве этанола
Задача. Составьте уравнения реакций для цепочки превращений:
Решение
Воспользуемся
удобным способом, помогающим определять реагенты, требуемые для превращения
одного вещества в другое: будем находить отличие в составе двух веществ,
стоящих по разные стороны от стрелки, и из химической формулы с большим числом
атомов вычитать формулу с меньшим числом атомов. Так, для первой стрелки схемы:
Следовательно,
чтобы превратить спирт СН3СН2ОН в алкен СН2=СН2,
надо отщепить молекулу воды от молекулы спирта:
Вторая
реакция схемы состоит в присоединении водорода к алкену:
Третья
стрелка схемы представляет реакцию замещения водорода в алкане СН3–СН3
на хлор. Это достигается действием молекулярного хлора на алкан:
Четвертое
превращение – замещение атома хлора в хлорэтане С2Н5Сl на
гидроксильную группу ОН:
Пятая
реакция заключается в отщеплении двух атомов водорода от молекулы спирта. На
практике это означает окисление спирта кислородом [O] окислителя, т.е.
связывание избыточных атомов Н в форме Н2О:
ЛИТЕРАТУРА
1.
О.В.
Байдалина. О прикладном аспекте химических знании // Химия в школе, 2005, № 5,
с. 45-47.
2.
Ахметов
Н.С. Методика преподавания темы «Закономерности протекания химических реакций»
// Химия в школе. 2002, № 3, с. 15 – 18.
3.
Ахметов
Н.С. Учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений. М.: Просвещение, 1998 г.
4.
Рудзитис
Г.Е., Фельдман Р.Г. Учебник для 8 класса средней школы. М.: Просвещение, 1992.
5.
Материалы
сайта www.1september.ru
6.
О.С. Габриелян,
Н.П. Воскобойникова, А. В. Ящукова. Настольная книга учителя. Химия. 8 класс.
М.: Дрофа, 2003 г.
7.
Малинин
К.М. Технология серной кислоты и серы. М., Л., 1994.
8.
Васильев
Б.Г., Отвагина М.И. Технология серной кислоты. М., 1985.
9.
Отвагина
М.И., Явор В.И., Сретенская Н.С., Шарифов М.Ю. Промышленность минеральных
удобрений и серной кислоты. М., НИИТЭХИМ. 1972. Выпуск № 4.
10. Резницкий И.Г.
Возможности использования нитрозного способа для переработки газов автогенных
процессов на серную кислоту / Цветные металлы. 1991. № 4.
11. Березина Л.Т., Борисова
С.И. Утилизация фосфогипсов - важнейшая экологическая проблема // Химическая
промышленность. 1999 г. № 12.
12. Громов А.П. Экологические
аспекты производства серной кислоты // Экология и промышленность России. 2001,
№ 12.
13. Лидин Р.А. Химия:
Руководство к экзаменам / Р. А. Лидин, В. Б. Маргулис. – М.: ООО Издательство
«АСТ»: ООО «Издательство Астрель», 2003. с. 64 – 70.
14. Единый государственный
экзамен 2002: Контрольные измерительные материалы: Химия / А.А. Каверина, Д.Ю.
Добротин, М.Г. Снастина и др.; М.: Просвещение, 2002. – с. 39 – 51.
15. Химия: Большой справочник
для школьников и поступающих в вузы / Е.А. Алферова, Н.С. Ахметов, Н.В.
Богомолова и др. М.: Дрофа, 1999. с. 430-438
16. Р.П. Суровцева, С.В.
Сафронов. Задания для самостоятельной работы по химии. М.: Просвещение, 1993 г.
|