Цели урока:
1. Обучающие:
- обобщение и углубление знаний учащихся о способах получения металлов и серной кислоты на примере производства комбината “Североникель”,
- изучение учащимися результатов техногенного воздействия на природу оксидов серы и тяжелых металлов.
2. Развивающая:
- развитие умений учащихся проводить эксперименты исследовательского характера, формулировать выводы и обобщения.
3. Воспитательная:
- формирование глобального экологического мышления учащихся
Оборудование:
- Видеофильм “Наедине с природой”, компьютер, медиапроектор, диск с компьютерной презентацией.
- Химические реактивы для демонстрации:
- образцы меди, никеля,
- кристаллические соли: сульфаты меди, никеля, кобальта,
- серная кислота.
- Химические реактивы для выполнения
лабораторных опытов:
- кислотная дождевая вода,
- образцы природной воды рек и озер,
- железо, мрамор,
- соляная кислота, раствор гидроксида натрия,
- индикаторная бумага,
- образцы печенгской и норильской медно-никелевых руд.
- Таблицы:
- схема производства комбината “Североникель”,
- круговорот ионов металлов в биосфере,
- источники и вредное воздействие диоксида серы на окружающую среду,
- влияние кислотности воды на выживание организмов,
- биологическое накопление токсикантов в пищевых цепях.
Учитель: “Природа Севера и человек” - так звучит тема нашего урока. Необычное название для урока химии. Вот сегодня нам и предстоит выяснить, как взаимосвязаны эти глобальные явления – природа и химия, и как связывает себя с ними неразрывной нитью человек.
Демонстрация видеофрагмента “Наедине с природой”.
Хрупкая природа Кольского края. Комбинат “Североникель”, его цеха.
Производство металлов. Выжженный кислотными дождями лес.
Учитель: Человек – мощная геологическая сила. Великие достижения человека в технике, производстве часто оборачиваются экологическими катастрофами, техногенным опустыниванием. Что же принес технический прогресс нашему Кольскому северу? Наш урок мы проведем в форме деловой игры – совещания руководителей области, директоров предприятий, экологических организаций, заинтересованных в охране окружающей среды.
Учащиеся называют должности представляемых ими специалистов.
- Заместитель губернатора Мурманской области
- Председатель Мурманского областного комитета экологии и природных ресурсов
- Директор комбината “Североникель”
- Директор комбината “Печенганикель”
- Главный врач Мурманского областного Центра Госсанэпиднадзора
- Заведующая химической лабораторией областного Центра Госсанэпиднадзора
- Специалисты-экологи Мурманского Областного управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
- Главный инженер предприятия “Североникель”
- Председатель Мурманского областного геологического комитета
- Начальник экспедиции Кольская сверхглубокая скважина.
Учитель: Я сегодня исполняю обязанности директора комбината “Североникель”. Все учащиеся класса – это работники комбината: технологи, инженеры, лаборанты, мастера. Руководить совещанием будет председатель областного комитета по экологии и природным ресурсам.
Председатель комитета по экологии и природным ресурсам: Деградация окружающей природной среды и ухудшение здоровья населения - острая экологическая проблема. Темой нашего совещания является очень важный вопрос – “Экологическое воздействие технологий медно-никелевых комбинатов на окружающую природную среду Кольского Севера”.
Заместитель губернатора Мурманской области: Цветная металлургия Мурманской области включает комбинаты “Североникель”, “Печенганикель”, Кандалакшский алюминиевый завод. В настоящее время комбинаты производят почти половину отечественного никеля, извлекают из руд медь, кобальт, платиновые металлы, производят серную кислоту на отходах медно-никелевого производства. Прошу директора предприятия “Североникель” рассказать о технологии производства на комбинате, сырье, производимой продукции.
Директор комбината “Североникель”: Я с гордостью представляю Вам комбинат “Североникель”. Его строительство началось в 1935г. и первоначально здесь перерабатывалась местная мончегорская медно-никелевая руда. В 1940г. он выдал первую партию чистого никеля. В 1999г. комбинаты “Североникель” и “Печенганикель” образовали Кольскую горно-металлургическую компанию, входящую в одно из самых крупнейших в мире объединений производителей цветных и драгоценных металлов Российское Акционерное общество “Норильский никель”. В настоящее время комбинат “Североникель” перерабатывает файнштейн – продукт обогащения медно-никелевый печенгской и привозной норильской руды.
(Приложение № 1, слайды № 2, 3,4)
Медно-никелевые руды – комплексное сырье; содержат никель, медь, кобальт, платиновые металлы, селен, серу, теллур и другие химические элементы. Основной продукцией комбината являются чистые катодные никель и медь, кобальтовый концентрат, карбонильный никель, соли указанных металлов, концентраты драгоценных металлов, высококачественная серная кислота, теплоизоляционные плиты.
(Приложение № 1, слайды № 5, 6)
Учащиеся рассказывают о химизме технологических процессов производства металлов и серной кислоты (демонстрация схем производства металлов и серной кислоты).
Директор комбината “Североникель”: Комбинат “Североникель” - очень сложное производство. Познакомимся с самыми главными его этапами:
(Используется оформление доски: (Приложение № 2, часть 1)
1. Разделение обогащенной руды – файнштейна – на медный и никелевый концентраты.
2. Никелевый концентрат обжигают в печах “кипящего слоя”, восстанавливают в дуговых трубчатых печах и плавят на аноды с последующим электролизом (электрорафинированием).
3. При очистке чернового никеля образуется кобальтовый концентрат и концентраты драгоценных металлов.
4. Медный концентрат поступает на плавку в автогенные ванны и кислородное конвертирование с получением черновой меди и последующим электрорафинированием.
(Приложение № 1, слайд № 7)
5. Образующийся в процессе производства металлов сернистый газ используется для производства серной кислоты.
(Приложение № 1, слайд № 8)
Приглашаю Вас на небольшую экскурсию по комбинату “Североникель”.
(Приложение № 1, слайды № 9 – 13)
Директор комбината “Североникель”: Где же применяются никель и медь?
(Приложение № 1, слайды № 14, 15)
Учащиеся записывают в подготовленных таблицах основные направления применения меди и никеля.
Заместитель губернатора Мурманской области: Почему сырьем для производства служат норильские руды, а не местные Кольские медно-никелевые минералы?
Директор комбината “Североникель”: В печенгском районе добыча медно-никелевых руд продолжается на некоторых рудниках, но они обеспечивают производство лишь на 40%, все остальные мощности комбинатов “Печенганикель” и “Североникель” перерабатывают норильскую руду.
Председатель Мурманского областного комитета экологии и природных ресурсов: Металлургические комбинаты имеют, конечно, бесспорные успехи. Но проведение мониторингового контроля, результаты экологических экспертиз свидетельствуют о глубоком и затяжном загрязнении этими комбинатами природной среды Кольского полуострова. Предоставляю слово специалистам-экологам.
Руководитель лаборатории атмосферных экологических проблем: В 2007г. цветная металлургия выбросила в атмосферу области тысячи тонн загрязняющих веществ, больше, чем все другие отрасли, вместе взятые. Основная часть выбросов приходится на диоксид серы и соединения тяжелых металлов, их содержание превышает ПДК. По отношению к уровню 1990г. комбинаты уменьшили выбросы сернистого газа на 30%, но дальнейшее снижение выбросов практически невозможно без реконструкции промышленного производства.
Специалист лаборатории атмосферных экологических проблем: Сернистый газ – один из самых вредных и неприятных загрязнителей воздуха. Он наиболее опасен для здоровья людей, вызывает заболевания органов дыхания, общее ослабление организма. Основными антропогенными источниками сернистого газа являются сжигание ископаемого топлива, промышленное производство – выплавка металлов, выхлопные газы автомобилей.
Сернистый газ окисляется в атмосфере кислородом или озоном до серного ангидрида, который растворяется в дождевой воде и образует серную кислоту. Поэтому сернистый газ быстро осаждается на землю в виде кислотных дождей. Кислотные дожди вызывают коррозию металлов и бетона, от них страдают различные строения и памятники архитектуры. Предлагаю проверить действие пробы кислотного дождя в районе г. Мончегорска на мрамор и железо.
Руководитель лаборатории экологии водных ресурсов: Кислотные дожди проявляют неблагоприятное воздействие на многие экосистемы. В первую очередь от них страдают леса, особенно хвойные. Происходит дефолиация – сброс хвои или листвы. На огромных площадях уже погибли и сейчас гибнут уникальные заполярные сосняки. Закислены почвы, наметилась устойчивая тенденция снижения их плодородия. Кислоты нарушают жизненно важные функции обитателей водоемов – гидробионтов. Например, моллюски в кислой воде лишаются своих известковых раковин. Даже при незначительной кислотности гибнет большое количество видов, а при средней кислотности в водоемах развиваются сфагновые мхи, они способствуют заболачиванию и зарастанию водоемов.
Директор комбината “Североникель”: Предлагаю включиться в работу Центральной заводской лаборатории и проанализировать дождевую воду, выпавшую в районах г. Мончегорска и г. Никеля на кислотность, а также проверить, как указанная дождевая вода действует на металлические изделия и мраморные постройки.
(Учащиеся выполняют задание №1 исследовательской программы урока)
Учащиеся делают вывод о кислотном характере “выпавших осадков”: указанные образцы дождевой воды взаимодействуют и с железом, и с мрамором и разрушают их.
Главный врач Центра гигиены и эпидемиологии в Мурманской области: Предприятия цветной металлургии в 2007г. сбросили в водные объекты Мурманской области 4,8 млн. м3 сточных вод, содержащих 12,5 тыс. тонн загрязняющих веществ. Экстремально высокий уровень загрязнения вод наблюдался в р. Колос-йоки (г. Никель), р. Луоттн-Иоки (г. Заполярный), р. Нюдуайв, оз. Мончеозеро и оз. Имандра (г. Мончегорск). В этих водных объектах резко выросло содержание тяжелых металлов – меди, никеля, кобальта, минеральных солей, нефтепродуктов. Концентрация этих веществ превышает нормативы. Комбинат “Печенганикель” 30% сточных вод сбрасывает без очистки. Не используются громадные отвалы на берегах озера Имандра, за счет этих отвалов загрязняются подземные воды. Концентрация вредных веществ в подземных водах достигает 100 ПДК. Водные источники загрязняются в результате выпадения в них вредных веществ из атмосферы.
Заведующая химической лабораторией Центра гигиены и эпидемиологии: Металлы – медь, кобальт и другие – токсиканты, т.е. отравители. Они в различных формах могут загрязнять все три области биосферы – воздух, воду и почву. В больших дозах они вызывают отравление воды, живых организмов, человека. Каждый из них совершает свой круговорот в биосфере. Для многих токсикантов характерно биологическое накопление в пищевых цепях. В радиусе 40 км от никелевых комбинатов нельзя собирать грибы и ягоды – они ядовиты, т.к. накапливают тяжелые металлы. В рыбе концентрация никеля может быть в 1000 раз больше, чем в водах, в которых она выловлена. От промышленных выбросов и стоков страдают тысячи жителей Заполярья. В Мончегорске, Никеле, Заполярном отмечается рост онкологических заболеваний, заболеваний верхних дыхательных путей, осложнений при родах. Мончегорские и печенгские дети – самые больные в области. Чем же так опасны тяжелые металлы и их соединения?
Никель поражает легкие и кожу, наблюдаются носовые кровотечения, гиперемия зева, прободение перегородки носа, рак легких. Медь накапливается в печени и почках, вызывает тошноту, рвоту, диарею, гастрит, язвенную болезнь желудка, проявляется зеленой каймой на деснах и зеленой окраской волос. (Учащиеся работают со справочной таблицей).
(Приложение № 1, слайд 16)
Главный врач Центра гигиены и эпидемиологии: Прошу центральную заводскую лабораторию проверить природные воды оз. Имандра, р. Нюдуайв в районе г. Мончегорска на наличие в них ионов тяжелых металлов.
(Учащиеся выполняют задание № 2 исследовательской программы урока)
Учащиеся делают вывод: в воде оз. Имандра содержаться ионы никеля Ni2+, в р. Нюдуайв обнаружены ионы меди Cu2+.
Заместитель губернатора Мурманской области: Еще 30 лет назад комбинаты загрязняли только 5% территории области в непосредственной близости от предприятий, а сегодня – загрязняют всю область и даже соседние страны. В чем причина?
Главный инженер комбината “Североникель”: Наши комбинаты рассчитаны на переработку малосернистых Кольских медных руд. Норильское сырье содержит серы в 3 раза больше, чем в местной руде. Реконструкции производства с учетом их переработки высокосернистого норильского сырья не проведено, поэтому комбинаты не могут полностью комплексно переработать норильские руды и сера в огромных количествах “летит” в небо Кольского полуострова.
Председатель мурманского областного комитета экологии и природных ресурсов: На основе выводов, представленных экологическими лабораториями, комитет по экологии и природным ресурсам обязан вынести постановление о закрытии комбинатов “Североникель” и “Печенганикель”. В этом случае природа, где сможет, восстановит себя, состояние здоровья людей улучшится.
Директор комбината “Североникель”: В случае закрытия комбинатов тысячи людей, которые трудятся на комбинатах, потеряют работу. Возможность переселить такую массу людей и предоставить им новую работу отсутствует. Нужны иные решения, иные пути.
Директор комбината “Печенганикель”: Один из путей решения проблемы – реконструкция производства, переход на экологически чистые технологии. Скажу, что комбинат “Печенганикель” теряет с отходами производства за год тысячи тонн тяжелых металлов. Нам нужно без промедления решать проблему утилизации выбросных сернистых газов – экономически приемлемые технологии для этого существуют – это металлургический передел на основе автогенных технологий с глубоким извлечением серы – например, установка ванны расплава, где технический кислород взаимодействует с сульфидной шихтой – образуются концентрированные сернистые газы, которые в дальнейшем перерабатывают в серную кислоту. И мы уже реконструировали отделение фильтрации цеха обжига – выброс сернистого газа значительно уменьшился.
Главный инженер комбината “Североникель”: Сегодня на производство одной тонны меди требуется 5000м3 воды, на производство одной тонны никеля – 4000м3 воды. Эту воду мы берем из близ лежащих рек и озер, а также закачиваем подземную воду. Но выбрасывать обратно загрязненную воду в водоемы мы не можем. Комбинат “Североникель” удовлетворяет потребности в воде на 94% за счет системы оборотного водоснабжения, все сточные воды подвергаем очистке и используем многократно.
Председатель Мурманского областного геологического комитета: Есть еще один путь экологического оздоровления – использование местной руды. По разведанным запасам медно-никелевых руд Мурманская область стоит на втором месте в России после Норильского рудного бассейна. Сейчас мончегорские местные малосернистые руды не используются. Но в результате поисковых работ, которые проводили в Мончегорском районе геологи, получены убедительные доказательства, что здесь вполне возможно открытие новых залежей промышленных медно-никелевых руд, в том числе и богатых. Местные низкосернистые руды в меньшей степени будут загрязнять атмосферу, чем высокосернистые норильские руды.
Начальник экспедиции Кольской сверхглубокой скважины: Кольская сверхглубокая скважина в Печенгском районе проникла уже на глубину более 12000м. Состав горных пород свидетельствует о наличии вкрапленных медно-никелевых руд. Маловероятно, что здесь будут открыты новые крупные месторождения богатой никелевой руды. А вот запасы бедных и вкрапленных руд здесь велики. Восемьдесят пять процентов запасов никеля на Кольском полуострове содержится именно в бедных рудах. Рано или поздно жизнь все равно заставит извлекать металлы из местных руд.
Директор комбината “Североникель”: Предлагаю Вам пройти в Центральную заводскую лабораторию, исследовать образцы норильской и печенгской руды и самим убедиться в отличии этих руд друг от друга.
(Учащиеся выполняют задание № 3 исследовательской программы урока) (Приложение № 4)
Учащиеся делают вывод: норильская руда содержит больше серы, потому и больше загрязняет окружающую среду при переработке. Для производства серной кислоты норильская руда более целесообразна, но для производства цветных металлов печенгская руда имеет больше перспектив и преимуществ.
Председатель Мурманского областного комитета экологии и ресурсов:
Мурманский областной комитет экологии и природных ресурсов постановляет:
1. Учитывая высокую значимость предприятий цветной металлургии в Мурманской области, комбинаты “Североникель” и “Печенганикель” не закрывать.
2. Развитие производства на комбинатах продолжить в следующих направлениях:
- Провести реконструкцию металлургического производства комбинатов “Североникель” и “Печенганикель” с переходом на малоотходные, экологически чистые технологии на основе автогенной плавки обогащенной руды с глубоким извлечением серы.
- В сократить выбросы соединений серы по сравнению с 2000г. на 50%, максимально утилизировать отходящие сернистые газы.
- Запретить сброс сточных вод предприятий в водные объекты, установить дополнительную аппаратуру для использования замкнутой водооборотной системы.
- Снизить потери никеля, меди, кобальта, для этого разработать и внедрить технологии комплексной переработки вторичных ресурсов – металлургических шлаков, хвостов обогащения.
- Разведать, разработать и максимально использовать местные низкосернистые руды, как наиболее высококачественные.
- Во избежание распыления отвалов провести их озеленение.
А теперь передаю слова директору комбината “Североникель”.
Директор комбината “Североникель”: “Монча – это замечательной красоты горный хребет на Кольском полуострове… Его вершины достигают высоты свыше тысячи метров, его склоны омываются многими десятками озер, бурные реки стекают в порожистых течениях с его каменистых круч, а леса, леса заповедные с седым ягелем покрывают предгорья, охраняя стада диких лосей и оленей”.
Эти строки принадлежат известному минералогу, основоположнику геохимии А.Е.Ферсману. Это при его активнейшем участии на Кольском полуострове были разведаны месторождения никеля.
Но не горным красотам, не заповедным лесам, не рыбе в реках и озерах суждено было стать самым важным природным богатством Мончетундры. Важнее оказались медно-никелевые руды, таившиеся в ее недрах. Их разработка и привела к удручающему состоянию природы Кольского края.
Так что же важнее для человека: красота природы или техногенные успехи?
Учащиеся делают выводы о необходимости и технического прогресса и бережного отношения к природе.
Да, наступил все-таки момент, когда в погоне за никелем и медью люди оглянулись и посмотрели вокруг себя. Увидев выжженную пустыню, они остановились. Задумались. И принялись срочно восстанавливать загубленную природу.
И наше совещание сегодня – это тоже поворот человека к лицом к природе. Это способ сказать себе, настоящему и будущему поколениям: Земля – наш дом, и наша задача – уберечь ее от разрушения, истощения и гибели. Погубив землю, мы погубим сами себя.
Человек выступать на Земле не как самовлюбленный и самоуверенный землевладелец, а как осторожный землепользователь. Предприняв те или иные шаги в своей деятельности, он должен прежде всего подумать, а не будут ли они опасны для природы, не нанесут ей вред, не приведут ли к экологической катастрофе?
Я надеюсь, что где бы вы ни учились или работали, вы всегда будете помнить об этом и передадите доброе отношение к природе своим детям.
Закончить урок я хочу словами замечательного российского поэта В. Шефнера:
Ты, человек, любя природу,
Хоть иногда ее жалей,
В увеселительных походах
Не растопчи ее полей.
Не жги ее напропалую
И не исчерпывай до дна.
И помни истину простую:
Нас много, а она – одна!
Литература:
- Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия. Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений. М. Просвещение, 2000;
- Шустов С.Б., Шустова Л.В. Химические основы экологии. М.Просвещение,1995;
- Экология и охрана природы Кольского Севера. Апатиты, 1994;
- Книга для чтения по неорганической химии, ч.2. Составитель В.А. Крицман, М. Просвещение, 1993 г.;
- Материалы журнала “Цветные металлы”, 2001 г. №2.