Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej 311[31].Z5.06

Transkrypt

1 MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Urszula Żłobińska Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej 311[31].Z5.06 Poradnik dla nauczyciela Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy Radom 2006

2 Recenzenci: mgr inż. Halina Bielecka dr Jacek Górski Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Małgorzata Urbanowicz Konsultacja: dr inż. Bożena Zając Korekta: Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[31].Z5.06 Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej zawartej w modułowym programie nauczania dla zawodu technik technologii chemicznej 311[31]. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji Państwowy Instytut Badawczy, Radom

3 SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Przykładowe scenariusze zajęć 7 5. Ćwiczenia Proces elektrolizy roztworów NaCl Ćwiczenia Wskaźniki przebiegu elektrolizy Ćwiczenia Prowadzenie elektrolizy Ćwiczenia Kontrola procesu elektrolizy roztworów NaCl, bezpieczeństwo 19 eksploatacyjne podczas elektrolizy Ćwiczenia Ewaluacja osiągnięć ucznia Literatura 33 2

4 1. WPROWADZENIE Przekazujemy Państwu Poradnik dla nauczyciela Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej, który będzie pomocny w prowadzeniu zajęć dydaktycznych w szkole kształcącej w zawodzie technik technologii chemicznej 311[31]. W poradniku zamieszczono: wymagania wstępne, wykaz umiejętności, jakie uczeń opanuje podczas zajęć, przykładowe scenariusze zajęć, propozycje ćwiczeń, które mają na celu wykształcenie u uczniów umiejętności praktycznych, wykaz literatury, z jakiej uczniowie mogą korzystać podczas nauki, Wskazane jest, aby zajęcia dydaktyczne były prowadzone różnymi metodami ze szczególnym uwzględnieniem: tekstu przewodniego, metody projektów, ćwiczeń praktycznych. Formy organizacyjne pracy uczniów mogą być zróżnicowane, począwszy od samodzielnej pracy uczniów do pracy zespołowej. W celu sprawdzenia wiadomości i umiejętności ucznia, nauczyciel może posłużyć się zamieszczonym w rozdziale 6 zestawem zadań testowych, zawierającym różnego rodzaju zadania oraz przeprowadzić test praktyczny wysoko symulowany. W tym rozdziale podano do testu: plan testu w formie tabelarycznej, punktację zadań, propozycje norm wymagań, instrukcję dla nauczyciela, instrukcję dla ucznia, kartę odpowiedzi, zestaw zadań testowych. Test praktyczny wysoko symulowany zawiera: plan testu w formie tabelarycznej, punktację zadań, propozycje norm wymagań, instrukcję dla nauczyciela, instrukcję dla ucznia, kartę pracy, kartę oceny. zestaw zadań testowych. 3

5 311[31].Z5 Technologia wytwarzania półproduktów i produktów nieorganicznych 311[31].Z5.01 Wytwarzanie siarki odzyskiwanej z siarkowodoru 311[31].Z5.04 Wytwarzanie amoniaku, kwasu azotowego (V) i nawozów azotowych 311[31].Z5.05 Wytwarzanie sody kalcynowanej 311[31].Z5.06 Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej 311[31].Z5.02 Wytwarzanie kwasu siarkowego (VI) z siarki 311[31].Z5.03 Wytwarzanie kwasu fosforowego (V) oraz nawozów fosforowych i wieloskładnikowych Schemat układu jednostek modułowych 4

6 2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej, uczeń powinien umieć: korzystać z różnych źródeł informacji, np. Kart charakterystyki substancji niebezpiecznych i preparatu niebezpiecznego, katalogów handlowych, opisów technologicznych, posługiwać się nomenklaturą i symboliką chemiczną, posługiwać się podstawowymi pojęciami: proces elektrolizy, reakcje elektrodowe, standardowy potencjał rozkładowy, nadnapięcie, prawa Faradaya, wydajność reakcji, prawo Nernsta, wykonywać obliczenia dotyczące procesu elektrolizy, zapisywać reakcje elektrodowe w procesie elektrolizy, stosować nazwy, symbole i jednostki miar różnych układów, określać wpływ czynników na przebieg reakcji chemicznej (temperatura, ciśnienie, stężenie, stopień rozdrobnienia reagentów), wskazać czynniki wpływające na równowagę podanej reakcji odwracalnej, określać wpływ heterogeniczności układu na jego termodynamiczne i kinetyczne właściwości, planować przebieg doświadczeń chemicznych, organizować stanowisko pracy laboratoryjnej zgodnie z zasadami bezpieczeństwa i higieny pracy, konstruować schematy ideowe z zastosowaniem typowych oznaczeń, stosować technikę komputerową w sporządzaniu schematów ideowych, podawać przykłady zastosowań zasad technologicznych i ich interpretację. 5

7 3. CELE KSZTAŁCENIA W wyniku realizacji programu jednostki modułowej, uczeń powinien umieć: określić zastosowanie chloru w syntezach związków chloroorganicznych, określić wskaźniki przebiegu procesu elektrolizy, objaśnić schemat ideowy produkcji chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej, scharakteryzować proces przygotowania roztworów NaCl do elektrolizy, zapisać i zinterpretować reakcje elektrodowe zachodzące podczas przeponowej elektrolizy roztworu NaCl, scharakteryzować budowę elektrolizera przeponowego, posłużyć się kartami charakterystyk substancji niebezpiecznych do oceny toksyczności produktów przeponowej elektrolizy roztworu NaCl, posłużyć się procedurami zabezpieczania przed awariami w instalacjach elektrolizy, scharakteryzować procesy finalnej przeróbki produktów elektrolizy: chloru, wodoru, katolitu, określić wpływ wytwarzania chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej na stan środowiska, zastosować zasady bhp, ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska obowiązujące na stanowiskach pracy. 6

8 4. PRZYKŁADOWE SCENARIUSZE ZAJĘĆ Scenariusz zajęć 1 Osoba prowadząca. Modułowy program nauczania: Technik technologii chemicznej 311[31] Moduł: Technologia wytwarzania półproduktów i produktów nieorganicznych 311[31].Z5 Jednostka modułowa: Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu 311[31].Z5.06 metodą elektrolizy przeponowej Temat: Analiza zagrożeń środowiska, wynikających z procesu elektrolizy roztworów NaCl prowadzonych na skalę przemysłową. Cel ogólny: kształtowanie umiejętności dokonywania analizy szkodliwych właściwości substancji na podstawie Kart charakterystyki substancji niebezpiecznych. Po zakończeniu zajęć edukacyjnych uczeń potrafi: wymienić produkty elektrolizy roztworu NaCl, wybrać odpowiednie Karty charakterystyki substancji niebezpiecznych, ustalić na podstawie Kart charakterystyki zagrożenia każdego z produktów elektrolizy NaCl dla zdrowia ludzkiego i środowiska, zaproponować środki bezpieczeństwa w zakładach prowadzących procesy elektrolizy NaCl, zaproponować sposoby ograniczenia zagrożeń dla środowiska, wynikające z właściwości toksycznych produktów elektrolizy roztworu NaCl, podać sposoby udzielania pierwszej pomocy przy zetknięciu się z chlorem i ługiem sodowym, scharakteryzować specjalne środki bezpieczeństwa niezbędne w instalacjach pracujących z chlorem. Metody nauczania uczenia się: metoda tekstu przewodniego. Formy organizacyjne pracy uczniów: indywidualna. Czas: 45 minut. Środki dydaktyczne: tekst przewodni do wykonania zadania, Karty charakterystyki substancji niebezpiecznych, stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, strony, np.: bhp.html, BAT Najlepsze dostępne techniki wytyczne dla branży chemicznej w Polsce, Przemysł Chloro-Alkaliczny. 7

9 Przebieg zajęć: Zadanie dla ucznia: Dokonaj analizy zagrożeń środowiska, wynikających z procesu elektrolizy roztworów NaCl prowadzonych na skalę przemysłową. Tekst przewodni do wykonywania zadania Lp. Nazwa Działania etapu nauczyciela uczniów 1. Informacje - - Prezentuje informacje zawarte w Kartach charakterystyki substancji niebezpiecznej i preparatu niebezpiecznego, które uczeń powinien uwzględnić: toksyczność, stężenia dopuszczalne, drogi wchłaniania, objawy i skutki zatrucia, pierwsza pomoc, właściwości niebezpieczne (wybuchowość), znaki ostrzegawcze. Podaje adresy stron internetowych umożliwiających uzupełnienie informacji Zapoznają się z Kartami charakterystyki dla wodorotlenku sodu, chloru, wodoru i azbestu, Zapisują adresy stron internetowych. 2. Planowanie - Podaje uczniom sposób oceny wykonania zadania Z Kart charakterystyki substancji niebezpiecznych dla wodorotlenku sodu, chloru, wodoru i azbestu oraz z podanych stron internetowych wybierają informacje konieczne do wykonania zadania, projektują tabelę, w której zaprezentują zebrane informacje dotyczące toksyczności substancji i zagrożeń z tego wynikających. 3. Ustalenia - Analizuje z uczniami poprawność wyboru informacji i trafność sposobu prezentacji tych informacji. Dyskutują nad wyborem koniecznych informacji do wykonania zadania i sposobem prezentowania tych informacji. 8

10 Lp. Nazwa Działania etapu nauczyciela uczniów 4. Wykonanie - Czuwa nad prawidłowym. przebiegiem wykonywania zadania. Wykonują zadanie, zapisują potrzebne informacje. 5. Sprawdzenie - Ocenia wykonane zadanie zgodnie z przyjętymi kryteriami. - Wskazuje nieprawidłowości wykonania poszczególnych czynności. Prezentują wykonane zadanie i sformułowane wnioski, dokonują samooceny. 6. Analiza Zadaje pytania uczniom: 1. Co sprawiło Ci największą trudność przy wykonywaniu zadania? 2. Gdzie tkwi przyczyna wystąpienia tej trudności? Odpowiadają na pytania. Kryteria oceny. Lp. Czynności Kryterium oceny Punktacja 1. Przygotowanie Poprawne: - wybranie informacji i sporządzenie tabeli 2. Wykonanie zadania Poprawne: - zapisanie informacji 3 i dokonanie oceny właściwości niebezpiecznych wodorotlenku sodu, chloru, wodoru i azbestu - sformułowanie wniosków dotyczących zagrożeń: na stanowisku pracy, podczas transportu i w procesie produkcyjnym Zachowanie porządku na stanowisku pracy. 1 3 Razem 16 9

11 Punktacja: punktów bdb punktów db 11 9 punktów dst 8 punktów dop poniżej 8 punktów ndst Zakończenie zajęć Praca domowa W jaki sposób transportowany jest chlor, jakie stosuje się oznaczenia środków transportu przewożących chlor? Sposób uzyskania informacji zwrotnej od ucznia po zakończonych zajęciach: sprawdzenie arkuszy tekstu przewodniego. 10

12 Scenariusz zajęć 2 Osoba prowadząca. Modułowy program nauczania: Technik technologii chemicznej 311[31] Moduł: Technologia wytwarzania półproduktów i produktów nieorganicznych 311[31].Z5 Jednostka modułowa: Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu 311[31].Z5.06 metodą elektrolizy przeponowej Temat: Przeprowadzenie elektrolizy wodnego roztworu NaCl. Cel ogólny: zapisywanie i interpretowanie reakcji elektrodowych, zachodzących podczas elektrolizy roztworu NaCl. Po zakończeniu zajęć edukacyjnych uczeń potrafi: przeprowadzić w laboratorium elektrolizę wodnych roztworów NaCl, ocenić zagrożenia na stanowisku pracy, zaproponować zasady bhp, zidentyfikować produkty elektrolizy zapisać równania reakcji elektrodowych, wyciągnąć wnioski. Metody nauczania uczenia się: ćwiczenie praktyczne Formy organizacyjne pracy uczniów: grupowe jednolite Czas: 45 minut. Środki dydaktyczne: stół laboratoryjny z dostępem do wyciągu, elektrolizer Hoffmana, odczynniki do przeprowadzenia elektrolizy i identyfikacji jej produktów; 15% roztwór NaCl, fenoloftaleina, łuczywko, wata, Kalendarz chemiczny. Przebieg zajęć: 1. Przypomnienie zasad bhp w laboratorium. 2. Powtórzenie pojęć: elektroliza, elektrody (katoda i anoda) oraz ich ładunki, proces redukcji i utlenienia. 3. Podział uczniów na grupy 3 4-osobowe. 4. Przygotowanie sprzętu do elektrolizy: aparat Hoffmanna z elektrodami grafitowymi, źródło prądu stałego 4-6 V np. bateria płaska 4,5 V, probówka, zlewka, łuczywko. 5. Przygotowanie odczynników: 15% roztwór NaCl, fenoloftaleina. 6. Przygotowanie stanowiska pracy. 7. Przeprowadzenie elektrolizy: napełnienie aparatu Hoffmanna roztworem NaCl (przez część środkową aparatu, przy zamkniętych kranikach), wkroplenie do roztworu ok. 10 kropel fenoloftaleiny, 11

13 podłączenie źródła prądu stałego do obu elektrod elektrolizera, prowadzenie elektrolizy do zebrania po ok. 10 cm 3 gazu w obu ramionach aparatu. 8. Identyfikacja produktów elektrolizy (pod wyciągiem): a) w rurce połączonej z ujemnym biegunem: napełnienie odwróconej probówki gazem znajdującym się w rurce, bardzo ostrożne zbliżenie do wylotu probówki zapalonego łuczywka, obserwowanie zmiany zabarwienia roztworu znajdującego się w rurce, b) w rurce połączonej z dodatnim biegunem: obserwowanie barwy gazu zebranego w drugim ramieniu aparatu, zbliżenie zwitka waty do wylotu rurki, otwarcie kranika i zbadanie zapachu waty. 9. Zapisanie obserwacji z przeprowadzonego ćwiczenia. 10. Wyciągnięcie wniosków: określenie produktów elektrolizy, określenie stosunku objętościowego wydzielających się gazów, zapisanie równań reakcji elektrodowych. 11. Ocena pracy uczniów. 12. Zadanie pracy domowej. Zakończenie zajęć Praca domowa Zaprojektuj metodę przeprowadzenia elektrolizy roztworu CuSO 4. Określ produkty elektrolizy i zaproponuj sposób ich identyfikacji. Zapisz równania reakcji elektrodowych. Sposób uzyskania informacji zwrotnej od ucznia po zakończonych zajęciach: anonimowa ankieta dotycząca trudności podczas wykonywania ćwiczeń. 12

14 5. ĆWICZENIA 5.1. Proces elektrolizy roztworów NaCl Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Zapisz równania reakcji elektrodowych przebiegających podczas elektrolizy roztworów wodnych na elektrodach platynowych. Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) wyszukać w tabelach wartości odpowiednich standardowych potencjałów rozkładowych i ustalić produkty elektrolizy, 2) zapisać równania reakcji elektrodowych przebiegających podczas elektrolizy wody, wodnych roztworów: HCl, CuCl 2, H 2 SO 4, AgNO 3, NaCl, NaOH i CH 3 COOH. Zalecane metody nauczania uczenia się: ćwiczenia w zapisywaniu równań reakcji elektrodowych. Środki dydaktyczne: Kalendarz chemiczny, materiał nauczania, punkt (Poradnik dla ucznia), literatura rozdział 7. Ćwiczenie 2 Przeprowadź elektrolizę wodnego roztworu NaCl. Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) przygotować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp, 2) przygotować elektrolizer do pracy zgodnie z instrukcją jego użytkowania, 3) przygotować odczynniki i roztwory do elektrolizy i identyfikacji produktów, 4) przeprowadzić proces elektrolizy: napełnić aparat Hoffmanna roztworem NaCl (przez część środkową aparatu, przy zamkniętych kranikach), wkroplić do roztworu ok. 10 kropel fenoloftaleiny, podłączyć źródło prądu stałego do obu elektrod elektrolizera, prowadzić elektrolizę do zebrania po ok. 10 cm 3 gazu w obu ramionach aparatu, 13

15 5) zidentyfikować produkty elektrolizy (pod wyciągiem): a) w rurce połączonej z ujemnym biegunem: napełnić odwróconą probówkę gazem znajdującym się w rurce, bardzo ostrożnie zbliżyć do wylotu probówki zapalone łuczywko, obserwować zmianę zabarwienia roztworu znajdującego się w rurce, b) w rurce połączonej z dodatnim biegunem: obserwować barwę gazu zebranego w drugim ramieniu aparatu, zbliżyć zwitek waty do wylotu rurki, otworzyć kranik i zbadać zapach waty. 6) zapisać obserwacje, wnioski i równania reakcji elektrodowych, 7) sporządzić sprawozdanie. Zalecane metody nauczania uczenia się: ćwiczenie praktyczne Środki dydaktyczne: stół laboratoryjny z dostępem do wyciągu, elektrolizer Hoffmana, odczynniki do przeprowadzenia elektrolizy i identyfikacji jej produktów: 15% roztwór NaCl, fenoloftaleina, łuczywko, wata, Kalendarz chemiczny, Karty charakterystyki substancji niebezpiecznych. Ćwiczenie 3 Dokonaj analizy schematu ideowego produkcji chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej. Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Przygotować dla ucznia schemat ideowy produkcji chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) na podstawie schematu ideowego ustalić etapy produkcji wodorotlenku sodu i chloru metodą elektrolizy przeponowej, 2) ustalić produkty elektrolizy przeponowej i ich formy handlowe, 3) podać przykłady zastosowań produktów otrzymywanych podczas produkcji Cl 2 i NaOH metodą elektrolizy przeponowej w przemyśle, syntezie chemicznej, 4) zapisać sposób oczyszczania solanki przed procesem elektrolizy, porównać z oczyszczaniem solanki w produkcji sody kalcynowanej, 5) zaprezentować wyniki swej pracy. Zalecane metody nauczania uczenia się: metoda tekstu przewodniego, Środki dydaktyczne: schemat ideowy produkcji chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej, tekst przewodni do wykonania zadania, materiał nauczania p (Poradnik dla ucznia), literatura z rozdziału 7. 14

16 5.2. Wskaźniki przebiegu elektrolizy Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Wykonaj obliczenia z zastosowaniem praw elektrolizy. Zadania do rozwiązania: Zadanie 1 Prowadzono elektrolizę wodnego roztworu H 2 SO 4 prądem o natężeniu 10 A. Jak długo powinna trwać elektroliza, aby powstały 2 dm 3 tlenu (warunki normalne)? Odp. t = 3445 s Zadanie 2 Jak długo powinna trwać elektroliza prądem o natężeniu 0,5 A, aby z 200 cm 3 roztworu CuSO 4 o stężeniu 0,6 mol/dm 3 wydzielić 10% zawartej w nim miedzi? Odp. t = 4632 s Zadanie 3 Jaka była wydajność prądowa elektrolizy roztworu CuSO 4, jeżeli w ciągu 200s przy przepływie prądu o natężeniu 2,6 A osadziło się 0,1 g metalicznej miedzi? Odp. W p = 58,5% Zadanie 4 Oblicz masę miedzi wydzielonej na katodzie platynowej podczas elektrolizy wodnego roztworu CuSO 4, prądem o natężeniu 3 A, w czasie 30 minut. Odp. m = 1,81 g Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) zapisać równania reakcji elektrodowych, 2) zapisać wzory praw elektrolizy Faradaya, 3) wykonać obliczenia ilości produktów elektrolizy na podstawie podanych parametrów procesowych, czasu, natężenia prądu, 4) obliczyć czas prowadzenia elektrolizy, 5) obliczyć wydajność prądową procesu elektrolizy. Zalecane metody nauczania uczenia się: ćwiczenia obliczeniowe Środki dydaktyczne: materiał nauczania p (Poradnik dla ucznia), podręcznik chemii lub fizyki, dział elektroliza prawa Faradaya, układ okresowy pierwiastków chemicznych, kalkulator. 15

17 Ćwiczenie 2 Oblicz wydajność procesu elektrolizy dla następujących przypadków: 1. W elektrolizerze do produkcji glinu z roztworu Al 2 O 3 w kriolicie, przy natężeniu prądu A, w ciągu doby otrzymano 145 kg glinu. 2. W czasie 24 godzin elektrolizy roztworu chlorku sodu, przy natężeniu A otrzymano 4200 dm 3 ługu zawierającego 125 g/dm 3 NaOH. 3. Podczas elektrolizy kwaśnego roztworu soli cynku na katodzie przebiegają dwa równoczesne procesy: wydzielanie cynku i wodoru. Po przepuszczeniu ładunku 2 F przez taki roztwór stwierdzono, że przyrost masy katody wyniósł 52 g. Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) zapisać równania reakcji elektrodowych, 2) zapisać wzory praw elektrolizy i wzór na wydajność prądową elektrolizy, 3) obliczyć wydajność prądową procesu elektrolizy przy podanych warunkach, i natężeniu prądu oraz ilości otrzymanego produktu. Zalecane metody nauczani uczenia się: ćwiczenia obliczeniowe. Środki dydaktyczne: materiał nauczania z punktu (Poradnik dla ucznia), Molenda J.: Technologia chemiczna (rozdział: Procesy elektrochemiczne), kalkulator. 16

18 5.3. Prowadzenie elektrolizy Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Przeprowadź obserwację przebiegu procesu elektrolizy w zakładzie przemysłowym. Zanotuj wszystkie obserwacje zgodnie z poniższą instrukcją wykonania ćwiczenia i napisz sprawozdanie. Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Zorganizować wycieczkę dydaktyczną do zakładu elektrolizy przeponowej NaCl, np. w Zakładach Azotowych we Włocławku. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) obserwować przebieg procesu elektrolizy przeponowej, 2) poznać konstrukcję oraz materiały aparatów i urządzeń w ciągu technologicznym, 3) poznać sposoby kontroli i sterowania procesem elektrolizy roztworu NaCl, 4) poznać przykłady procedur zachowania bezpieczeństwa eksploatacji instalacji elektrolizy, 5) poznać zasady bhp na stanowiskach pracy w oddziale elektrolizy, 6) sporządzić sprawozdanie zawierające powyższe informacje. Zalecane metody nauczania uczenia się: wycieczka dydaktyczna, dyskusja dydaktyczna. Środki dydaktyczne: materiał nauczania z danej jednostki modułowej, instrukcje ruchowe, fragmenty instrukcji bhp, fragmenty procedur zapewnienia bezpieczeństwa eksploatacji instalacji elektrolizy. Ćwiczenie 2 Zaprojektuj sposób zabezpieczenia aparatów i urządzeń przed korozyjnym działaniem chloru. Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) wypisać właściwości chemiczne chloru, 2) powiązać właściwości i działanie chloru na materiały konstrukcyjne, 17

19 3) dobrać, na podstawie informacji zawartych w materiale nauczania (p ) i poradnikach materiałów konstrukcyjnych, odpowiednie materiały na aparaty, armaturę i urządzenia oraz dodatkowo substancje smarujące w armaturze, 4) podać przykłady materiałów konstrukcyjnych na aparaty i na wykładziny do aparatury, armaturę i urządzenia w procesach produkcyjnych z udziałem chloru, 5) zapisać odpowiednie informacje, 6) wziąć udział w dyskusji. Zalecane metody nauczania uczenia się: dyskusja dydaktyczna Środki dydaktyczne: stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, strony internetowe, np. bhp.html, podręczniki chemii, materiał nauczania z punktu (Poradnik dla ucznia), literatura z rozdziału 7. 18

20 5.4. Kontrola procesu elektrolizy roztworów NaCl, bezpieczeństwo eksploatacyjne podczas elektrolizy Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Dokonaj analizy zagrożeń środowiska, wynikających z procesu elektrolizy roztworów NaCl prowadzonych na skalę przemysłową. Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Przygotować Karty charakterystyki substancji niebezpiecznych oraz instrukcje bhp lub ich fragmenty dotyczące stanowisk pracy przy produkcji chloru i ługu sodowego. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) wymienić produkty elektrolizy roztworu NaCl, 2) wybrać odpowiednie Karty charakterystyki substancji niebezpiecznych, 3) ustalić na podstawie Kart charakterystyki zagrożenia każdego z produktów elektrolizy NaCl dla zdrowia ludzkiego i środowiska, 4) zaproponować środki bezpieczeństwa w zakładach prowadzących procesy elektrolizy NaCl, 5) zaproponować sposoby ograniczenia zagrożeń dla środowiska, wynikające z właściwości toksycznych produktów elektrolizy roztworu NaCl, 6) podać sposoby udzielania pierwszej pomocy przy zetknięciu się z chlorem i ługiem sodowym. Zalecane metody nauczania uczenia się: metoda tekstu przewodniego, Środki dydaktyczne: Karty charakterystyki substancji niebezpiecznych, instrukcje bhp lub ich fragmenty dotyczące stanowisk pracy przy produkcji chloru i ługu sodowego, stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, strony internetowe, np. bhp.html, materiał nauczania p (Poradnik dla ucznia), literatura z rozdziału 7. Ćwiczenie 2 Dokonaj analizy procedur zachowania bezpieczeństwa eksploatacji instalacji elektrolizy przeponowej. 19

21 Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Przygotować fragmenty procedur zachowania bezpieczeństwa eksploatacji instalacji. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) wybrać odpowiednie fragmenty procedur zachowania bezpieczeństwa eksploatacji instalacji, przygotowane przez prowadzącego zajęcia lub odnaleźć w Internecie instrukcje i procedury dotyczące instalacji produkcji chloru i chlorowania, transportu chloru, 2) ustalić warunki techniczne zachowania bezpieczeństwa instalacji elektrolizy przeponowej, 3) ustalić sposoby zachowania bezpieczeństwa podczas transportu, przy stosowaniu chloru w syntezach organicznych i nieorganicznych. Zalecane metody nauczania uczenia się: metoda tekstu przewodniego, Środki dydaktyczne: instrukcje, procedury bezpieczeństwa eksploatacji fragmenty, stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu, strony internetowe, np. bhp.html, materiał nauczania z punktu (Poradnik dla ucznia), literatura z rozdziału 7. Ćwiczenie 3 Zaprojektuj schemat ideowy powiązań procesu elektrolizy roztworu NaCl z innymi procesami przemysłu nieorganicznego i organicznego. Wskazówki do realizacji: Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczenia, nauczyciel powinien omówić zakres i technikę wykonania ćwiczenia z uwzględnieniem przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy. Podzielić uczestników na grupy 3-osobowe, przydzielić tematy, np. amoniak w przemyśle sodowym i jego produkcja z wodoru, chlor i jego zastosowania w syntezie nieorganicznej, chlor i jego zastosowania w syntezie organicznej, wykorzystanie wodoru do syntez, zastosowania wodorotlenku sodu w procesach przemysłowych. Sposób wykonania ćwiczenia Uczeń powinien: 1) wymienić produkty elektrolizy roztworu NaCl, 2) wymienić surowce główne i pomocnicze procesu elektrolizy NaCl, 3) wymienić przykłady różnorodnych zastosowań produktów elektrolizy roztworu NaCl, 4) wyszukać przykłady powiązań różnych surowców pomocniczych w różnych procesach przemysłu nieorganicznego i organicznego, np. rola amoniaku w produkcji sody kalcynowanej i wodorotlenku sodu, produkcja amoniaku z zastosowaniem wodoru, 5) sporządzić schemat ideowy. 20

22 Zalecane metody nauczania uczenia się: metoda projektów. Środki dydaktyczne: komputer z oprogramowaniem umożliwiającym sporządzanie schematów, Internet, materiał nauczania z punktu (Poradnik dla ucznia), literatura z rozdziału 7. 21

23 6. EWALUACJA OSIĄGNIĘĆ UCZNIA Przykłady narzędzi pomiaru dydaktycznego Test do jednostki modułowej Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej. Test składa się z 20 zadań, z których: zadania 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, 17, 18 są z poziomu podstawowego, zadania 13, 14, 16,19, 20 są z poziomu ponadpodstawowego. Punktacja zadań 0 lub 1 punkt Za każdą prawidłową odpowiedź uczeń otrzymuje 1 punkt. Za złą odpowiedź lub jej brak uczeń otrzymuje 0 punktów. Proponuje się następujące normy wymagań uczeń otrzyma następujące oceny szkolne: - dopuszczający za rozwiązanie co najmniej 8 zadań z poziomu podstawowego, - dostateczny za rozwiązanie co najmniej 11 zadań z poziomu podstawowego, - dobry za rozwiązanie 15 zadań, w tym co najmniej 3 z poziomu ponadpodstawowego, - bardzo dobry za rozwiązanie 17 zadań, w tym co najmniej 5 z poziomu ponadpodstawowego, Klucz odpowiedzi: 1. b, 2. a, 3. d, 4. a, 5. c, 6. c, 7. a, 8. d, 9. b, 10. b, 11. c, 12. d, 13. a, 14. b, 15. b, 16. a, 17. c, 18. d, 19. c, 20. a Plan testu Nr zad. 1. Cel operacyjny (mierzone osiągnięcia ucznia) Podać wzór soli na podstawie reakcji elektrodowych zachodzących podczas elektrolizy wodnego roztworu tej soli Kategoria celu Poziom wymagań Poprawna odpowiedź A P b 2. Podać produkty elektrolizy Na 2 SO 4 A P a 3. Wyjaśnić pojęcie: nadnapięcie B P d Uzasadnić stosowanie przepony w elektrolizie NaCl Dobrać materiał przepony w procesie elektrolizy NaCl Dobrać materiał katody do procesu elektrolizy NaCl C P a B P c B P c 22

24 Nr zad Cel operacyjny (mierzone osiągnięcia ucznia) Dobrać materiał elektrody stałowymiarowej stosowanej w procesie elektrolizy Podać zanieczyszczenia solanki usuwane w procesie przygotowania jej przygotowania do elektrolizy Podać temperaturę solanki kierowanej do elektrolizera Podać stężenie solanki kierowanej do elektrolizera Kategoria celu Poziom wymagań Poprawna odpowiedź A P a A P d A P b A P b 11. Podać ph roztworu solanki A P c Określić właściwą kolejność etapów produkcji chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej B P d Obliczyć czas prowadzenia elektrolizy roztworu NaCl D PP a Obliczyć masę miedzi wydzielonej w procesie elektrolizy roztworu CuSO 4 D PP b 15. Podać nazwę roztworu po elektrolizie A P b Uzasadnić dodatek cukru w procesie zatężania roztworu ługu sodowego Podać największe zastosowania chloru jako surowca Określić stężenie handlowe wodorotlenku sodu Określić temperaturę stopu wodorotlenku sodu kierowanego do granulacji Zaproponować sposób oznakowania środków transportu przewożących chlor C PP a A P c B P d C PP c C PP a 23

25 Przebieg testowania Instrukcja dla nauczyciele 1. Ustal z uczniami termin przeprowadzenia sprawdzianu z co najmniej jednotygodniowym wyprzedzeniem. 2. Omów z uczniami cel stosowania pomiaru dydaktycznego. 3. Zapoznaj uczniów z rodzajem zadań podanych w zestawie oraz z zasadami punktowania. 4. Przeprowadź z uczniami próbę udzielania odpowiedzi na takie typy zadań testowych, jakie będą w teście. 5. Omów z uczniami sposób udzielania odpowiedzi (karta odpowiedzi). 6. Zapewnij uczniom możliwość samodzielnej pracy. 7. Rozdaj uczniom zestawy zadań testowych i karty odpowiedzi, podaj czas przeznaczony na udzielanie odpowiedzi. 8. Postaraj się stworzyć odpowiednią atmosferę podczas przeprowadzania pomiaru dydaktycznego (rozładuj niepokój, zachęć do sprawdzenia swoich możliwości). 9. Kilka minut przed zakończeniem sprawdzianu przypomnij uczniom o zbliżającym się czasie zakończenia udzielania odpowiedzi. 10. Zbierz karty odpowiedzi oraz zestawy zadań testowych. 11. Sprawdź wyniki i wpisz do arkusza zbiorczego. 12. Przeprowadź analizę uzyskanych wyników sprawdzianu i wybierz te zadania, które sprawiły uczniom największe trudności. 13. Ustal przyczyny trudności uczniów w opanowaniu wiadomości i umiejętności. 14. Opracuj wnioski do dalszego postępowania, mającego na celu uniknięcie niepowodzeń dydaktycznych niskie wyniki przeprowadzonego sprawdzianu. Instrukcja dla ucznia 1. Przeczytaj uważnie instrukcję. 2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi. 3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych. 4. Test zawiera 20 zadań dotyczących technologii wytwarzania chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej. Są to zadania wielokrotnego wyboru i tylko jedna odpowiedź jest prawidłowa. 5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi. Prawidłową odpowiedź zaznacz X (w przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową). 6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania. 7. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas. Trudności mogą przysporzyć Ci zadania: 13, 14, 16, 19, 20, gdyż są one na poziomie trudniejszym niż pozostałe. 8. Na rozwiązanie testu masz 60 minut. Materiały dla ucznia: - instrukcja, - zestaw zadań testowych, - karta odpowiedzi. Powodzenia 24

26 ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH 1. Zapis K: 4H 2 O + 4e - 2H 2 + 4OH - A: 2Cl - Cl 2 + 2e - ilustruje reakcje zachodzące na elektrodach platynowych podczas elektrolizy wodnego roztworu: a) CuCl 2 b) NaCl c) HCl d) ZnCl 2 2. Produktami elektrolizy roztworu Na 2 SO 4 z użyciem obojętnych elektrod są: a) H 2, O 2 b) NaOH, O 2 c) NaOH, H 2 d) SO 3, H 2, O 2 3. Różnica między faktycznie potrzebnym napięciem do przeprowadzenia elektrolizy a teoretycznym napięciem rozkładowym nazywana jest: a) standardowym potencjałem rozkładowym b) standardowym potencjałem elektrodowym c) napięciem rozkładowym d) nadnapięciem 4. Zastosowanie przepony w elektrolizerach w procesie elektrolizy NaCl, przeciwdziała tworzeniu się: a) chloranów(i) b) tlenu c) sodu d) wodoru 5. Przepona w elektrolizerach Hookera wykonana jest z: a) włókien poliestrowych b) specjalnej gumy c) azbestu d) celulozy 6. W elektrolizerach do produkcji chloru i wodorotlenku sodu metodą przeponową materiał katody stanowi: a) grafit b) miedź c) stal d) srebro 7. Elektrody stałowymiarowe zastępujące tradycyjne anody i pozwalające zwiększyć obciążenie prądowe oraz zmniejszyć zużycie energii, są wykonane z: a) tytanu b) miedzi c) srebra d) wanadu 25

27 8. Solanka kierowana do elektrolizera musi być oczyszczona z zawartych w niej jonów: a) Fe 3+, K +, Mn 2+ b) Mg 2+, K +, Cl - c) Ca 2+, Na +, Fe 3+ d) Mg 2+, Ca 2+, SO Solankę przed wprowadzeniem do elektrolizera podgrzewa się do temperatury: a) o C b) o C c) o C d) o C 10. Solanka kierowana do elektrolizy powinna mieć stężenie NaCl wynoszące: a) g/dm 3 b) g/dm 3 c) g/dm 3 d) g/dm Odpowiedni odczyn solanki pozwala zmniejszyć zużycie materiału anody, ilość osadów odkładających się na katodzie oraz zawartość chloranów(i) w roztworze po elektrolizie. Solanka powinna mieć ph: a) 8 10 b) 6 7 c) 4 5 d) Produkcja chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej składa się z następujących po sobie procesów: a) sprężanie i skraplanie chloru, oczyszczanie solanki, elektroliza, zatężanie ługu sodowego b) elektroliza, zatężanie ługu sodowego, sprężanie i skraplanie chloru, oczyszczanie solanki c) elektroliza, oczyszczanie solanki, sprężanie i skraplanie chloru, zatężanie ługu sodowego d) oczyszczanie solanki, elektroliza, sprężanie i skraplanie chloru, zatężanie ługu sodowego 13. Podczas elektrolizy wodnego roztworu NaCl prowadzonej prądem o natężeniu 5 A na anodzie wydzieliło się 11,2 dm 3 chloru. Czas prowadzenia elektrolizy wynosił: a) 5,36 h b) 2,68 h c) 3,57 h d) 4,48 h 14. Prowadzono elektrolizę wodnego roztworu CuSO 4 w czasie 30 minut prądem o natężeniu 3A. Masa miedzi, jaka wydzieliła się na katodzie platynowej, wynosi: a) 3,58 g b) 1,79 g c) 2,69 g d) 1,28 g 26

28 15. Roztwór odbierany z elektrolizerów przeponowych, zawierający ok. 11% NaOH, to: a) amalgamat b) katolit c) kationit d) kalomel 16. Dodawanie cukru w procesie zatężania roztworu ługu sodowego w wyparkach ma na celu: a) ograniczenie korozji aparatów b) zmniejszenie pienienia roztworu ługu sodowego c) poprawę mieszania roztworu ługu sodowego d) zmniejszenie napięcia powierzchniowego roztworu zatężanego 17. Największe ilości chloru jako surowca zużywa się do produkcji: a) chloranów i freonów b) chlorowodoru i kwasu solnego c) chlorku winylu i rozpuszczalników chloroorganicznych d) wapna chlorowanego i środków bielących 18. Wodorotlenek sodu jako produkt handlowy występuje w postaci stałej, ale także jako roztwór o stężeniu: a) ok. 10% b) ok. 25% c) ok. 35% d) ok. 50% 19. Temperatura stopu wodorotlenku sodu kierowanego do granulacji wynosi: a) C b) C c) C d) C 20. Oznakowanie środków transportu przewożących chlor musi zawierać: a) pomarańczowe tablice i odpowiednie nalepki b) czerwone tablice z odpowiednimi znakami c) czarne napisy ostrzegawcze na niebieskich cysternach d) czarne napisy ostrzegawcze na żółtych cysternach 27

29 KARTA ODPOWIEDZI Imię i nazwisko... Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej Zakreśl poprawną odpowiedź, wpisz brakujące części zadania lub wykonaj rysunek. Nr Odpowiedź zadania 1. a b c d 2. a b c d 3. a b c d 4. a b c d 5. a b c d 6. a b c d 7. a b c d 8. a b c d 9. a b c d 10. a b c d 11. a b c d 12. a b c d 13. a b c d 14. a b c d 15. a b c d 16. a b c d 17. a b c d 18. a b c d 19. a b c d 20. a b c d Razem: Punkty 28

30 Test praktyczny wysoko symulowany Do jednostki modułowej Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej Zadanie dla ucznia: Wykonaj obliczenia dotyczące procesu elektrolizy. Plan testu Nr zadania Nazwa czynności Wykorzystanie praw Faradaya Zapisanie równań reakcji elektrodowych Stosowanie odpowiednich jednostek Podanie prawidłowego wyniku ( m Ag = 1,21 g) Wykorzystanie praw Faradaya Zapisanie równań reakcji elektrodowych Stosowanie odpowiednich jednostek Obliczenie prawidłowego czasu ( t = s ) Obliczenie prawidłowej objętości Cl 2 (V = 35,25 dm 3 ) Wykorzystanie praw Faradaya Zapisanie równań reakcji elektrodowych Stosowanie odpowiednich jednostek Obliczenie wydajności prądowej (η = 94,6 %) Liczba punktów możliwych do uzyskania Razem 16 Proponuje się następujące normy wymagań uczeń otrzyma następujące oceny szkolne: bardzo dobry, dobry, 10 9 dostateczny, 8 7 dopuszczający. 29

31 INSTRUKCJA DLA NAUCZYCIELA 1. Przed rozpoczęciem wykonywania zadania przez uczniów, należy: - zapewnić warunki do samodzielnej pracy, - rozdać karty pracy oraz instrukcje dla ucznia, - odczytać uczniom przeznaczoną dla nich instrukcję oraz udzielić odpowiedzi na pytania. 2. Podczas wykonywania zadania powinny być spełnione następujące warunki: - czas trwania testu 45 minut, - praca samodzielna, indywidualne stanowiska pracy, - maksymalna liczba uczniów w grupie 16 osób, - wykonane zadanie uczeń opisuje w karcie pracy, - nauczyciel pełni rolę obserwatora, - kilka minut przed zakończeniem sprawdzianu nauczyciel przypomina uczniom o zbliżającym się czasie zakończenia zadania, - po wykonaniu zadania uczeń oddaje kartę pracy nauczycielowi. 3. Po wykonania zadania nauczyciel: - wpisuje do karty oceny wyniki przeprowadzonego testowania, - przeprowadza analizę wyniku sprawdzianu, - opracowuje wnioski do dalszego postępowania, mającego na celu uniknięcie niepowodzeń dydaktycznych. Uczeń może otrzymać maksymalnie 16 punktów. INSTRUKCJA DLA UCZNIA Zadanie, które będziesz wykonywać polega na wykonaniu obliczeń dotyczących procesu elektrolizy. Aby wykonać zadanie, powinieneś w karcie pracy: 1) wypisać dane i szukane, 2) zapisać równania reakcji elektrodowych, 3) podać wzory praw Faradaya i odpowiednio je przekształcić, 4) wykonać obliczenia stosując odpowiednie jednostki, 5) podać odpowiedź. 30

32 KARTA PRACY Imię i nazwisko... Test praktyczny wysoko symulowany do jednostki modułowej Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej Zadanie dla ucznia: Wykonaj obliczenia dotyczące procesu elektrolizy. Zadanie 1. Ile g srebra osadzi się na elektrodzie podczas elektrolizy roztworu azotanu srebra, przy przepływie prądu stałego o natężeniu 0,5 A w ciągu 1 godziny, przy wydajności prądowej 60%? Zadanie 2 Oblicz, jak długo powinna trwać elektroliza wodnego roztworu chlorku miedzi(ii) przy przepływie prądu o natężeniu 5,0A, aby na katodzie powstało 100 g miedzi. Jaka będzie objętość chloru powstałego na anodzie? Zadanie 3 W czasie 24 godzin elektrolizy roztworu chlorku sodu, przy natężeniu A otrzymano 4200 dm 3 ługu zawierającego 125 g/dm 3 NaOH. Oblicz wydajność prądową. 31

33 KARTA OCENY Imię i nazwisko... Test praktyczny wysoko symulowany do jednostki modułowej Wytwarzanie chloru i wodorotlenku sodu metodą elektrolizy przeponowej Zadanie: Wykonaj obliczenia dotyczące procesu elektrolizy. Nr zadania Nazwa czynności Wykorzystanie praw Faradaya Zapisanie równań reakcji elektrodowych Stosowanie odpowiednich jednostek Podanie prawidłowego wyniku Wykorzystanie praw Faradaya Zapisanie równań reakcji elektrodowych Stosowanie odpowiednich jednostek Obliczenie prawidłowego czasu Obliczenie prawidłowej objętości Cl 2 Wykorzystanie praw Faradaya Zapisanie równań reakcji elektrodowych Stosowanie odpowiednich jednostek Obliczenie wydajności prądowej Uzyskana liczba punktów Razem: Proponuje się następujące normy wymagań uczeń otrzyma następujące oceny szkolne: bardzo dobry, dobry, 10 9 dostateczny, 8 7 dopuszczający. 32

34 7. LITERATURA 1. BAT Najlepsze dostępne techniki wytyczne dla branży chemicznej w Polsce, Przemysł Chloro-Alkaliczny. Ministerstwo Środowiska, Warszawa Bortel E., Koneczny H.: Zarys technologii chemicznej. PWN, Warszawa Kępiński J.: Technologia chemiczna nieorganiczna. PWN, Warszawa Molenda J.: Technologia chemiczna. WSiP, Warszawa Praca zbiorowa pod redakcją K. Pazdro: Chemia nieorganiczna. WSiP, Warszawa Praca zbiorowa: Technologia chemiczna ogólna. WSiP, Warszawa