Интеграция курсов химии и металлургии в инновационной деятельности кафедры

Инновационная деятельность в образовании — это процесс совершенствования педагогических технологий, методов и средств обучения.

Одной из характеристик инновационной деятельности кафедры в технологическом университете является междисциплинарная интеграция учебных дисциплин, способствующая более глубокому пониманию материала при изучении студентами спецкурсов, расширяющая возможности их интеллектуального развития и создающая предпосылки для освоения навыков научно-исследовательской деятельности.

Известно, что многие металлургические процессы протекают в соответствии с термодинамическими и кинетическими закономерностями, а в их основу положены физические и химические явления. Например, в цветной металлургии многообразие процессов, связанных с извлечением металлов из руд и концентратов, подразделяется на две большие группы: гидро- и пирометаллургические. Знакомство студентов с их теорией и практикой базируется на ранее изученном ими цикле химических дисциплин, таких как общая, неорганическая, органическая, аналитическая и физическая химия, являющихся базовыми. Поэтому методический подход к преподаванию соответствующих курсов должен быть направлен на формирование у студентов целостного представления не только об основах и закономерностях химии и ее компетенций, но и о роли химии в решении жизненно важных задач с целью дальнейшего приложения полученных знаний в обучении и практике.

Развитие идей применения новых научных результатов, происходящее на этапах фундаментальных и прикладных исследований, невозможно без современного инженерного мышления, включающего совокупность знаний, законов и теорий и формирующегося только при условии междисциплинарной интеграции в обучении [6].

Методология преподавания химических дисциплин предусматривает различные подходы к обучению студентов, в том числе профессионально-технологический, связанный с развитием обучающих технологий, и интегративно-инновационный, формирующий такие качественные составляющие, как знание основ, принципов, закономерностей и тенденций развития инженерии, умение применять новые технологии в режиме интеграции инженерного образования с научной сферой и производством [2].

Типичными примерами применения физических и химических явлений могут служить используемые в гидрометаллургии процессы выделения металлов или их соединений методами кристаллизации, осаждения малорастворимых соединений, получения металлов методом восстановления (цементация), электролиза растворов, перегонки и ректификации, сорбции и экстракции. В пирометаллургии различают восстановительную и окислительную плавки, определяющей из

которых выступает восстановительная рудная плавка оксидов металла с получением в конечном счете металла или его сплава.

Теоретические основы указанных процессов изучаются студентами в курсах «Общая химия» и «Химия металлов», где для закрепления материала и проверки уровня усвоения знаний проводятся расчеты по стехиометрии, составу и массе осадка, растворимости соединений, составление окислительно-восстановительных реакций (ОВР), расчет их направления и т. д. [5].

В перечне гидрометаллургических переделов важное место занимает процесс выщелачивания — перевод металла из рудного материала (концентрата)

в водный раствор путем обработки различными химическими реагентами [3].

Процесс выщелачивания лежит в основе многих гидрометаллургических схем переработки руд цветных и редких металлов. В качестве примера можно привести процессы выщелачивания бокситов раствором щелочи в производстве алюминия, цинковых огарков серной кислотой в гидрометаллургии цинка, вольфрамитовых и шеелитовых концентратов растворами щелочи или соды в производстве вольфрама и молибдена, выщелачивание золотоносных руд цианистыми растворами и др.

Модель интеграции разделов химии и металлургии для изучения процесса выщелачивания представлена на рис. 1.

Как видим, платформой для первичного получения информации в этой области и более продуктивного усвоения материала являются некоторые разделы

«Общей химии» и «Химии металлов», составляющие базовый компонент изучения данного процесса. Действительно, учебный материал традици- онных разделов вышеперечисленных дисциплин, таких как «Общие свойства растворов» и «Растворы электролитов», «Химические свойства металлов и их соединений», наряду с умением студентов решать стандартные задачи служит подготовительной базой для изучения и понимания сущности процесса выщелачивания.

Второй компонент интеграции — это решение комплекса инженерно-исследовательских задач в разработке способа выщелачивания конкретного концентрата, где необходимо иметь сведения по термодинамическим и кинетическим основам данного процесса, а также его аппаратурному оформлению. Изучение основ термодинамики, химической кинетики, формирование умений и навыков постановки эксперимента и расчета полученных опытных данных предоставляет курс «Физическая химия».

Наиболее важным вопросом в изучении процесса выщелачивания является исследование кинетики процесса, состоящее не только в определении оптимальных условий (температуры, концентрации растворов, скорости перемешивания, удельной поверхности твердой фазы и пр.) для максимального извлечения металла из раствора, но и в расчете энергии активации с целью установления лимитирующей стадии процесса.

Определение эффективности извлечения металлов из растворов методом аналитического контроля проводится на базе знаний студентами курса «Аналитическая химия». Совокупность термодинамических, кинетических и аналитических данных позволяет выбрать технологический режим и подобрать аппаратуру. Например, установлено [2], что выщелачивание вольфрама из шеелита (СaWO4) раствором соды протекает с высокой скоростью и полнотой в автоклавах при температуре 200—225 °С и описывается следующим уравнением реакции:

СaWO4 + Na2CO3 = Na2WO4 + CaCO3.

При этом расход соды должен превышать стехиометрически необходимое количество в 2,5—2,7 раза.

Выщелачивание минералов бокситовых руд растворами едкого натра в зависимости от качества бокситов может протекать как при атмосферном давлении (при температуре 100—105 °С и концентрации растворов NaOH 200—250 г/л), так и в автоклавах (при температуре 200—220°С и концентрации щелочи 290—300 г/л) по реакции

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4].

Аналогичную модель интеграции разделов химии и металлургии можно рассмотреть на примере другого металлургического процесса — экстракции (рис. 2).

Экстракция — это процесс извлечения соединений металлов из водной фазы в органическую, называемую экстрагентом. При этом решаются задачи отделения металлов от сопутствующих примесей, их концентрирования, очистки и разделения. Технология проведения экстракционного процесса состоит из экстракции металла из водной в органическую фазу, его дальнейшей реэкстракции с последующим возвращением экстрагента в технологический процесс. Поскольку в качестве экстрагентов и разбавителей обычно используются органические соединения, такие как трибутилфосфат (ТБФ), метилизобутилкетон (МИБК), триоктиамин (ТОА), синтетические жирные кислоты (СЖК), предельные спирты и др., естественно, что базовый компонент этой модели представляется некоторыми разделами органической химии, в том числе такими: номенклатура органических соединений, их строение, химические и физические свойства. Это позволяет объяснить классификацию экстрагентов, установить механизм экстракции, а также обеспечить технологический режим производства.

Инженерно-технический компонент изучения экстракции традиционно базируется на исследовании равновесия и кинетики процесса и аналитическом контроле.

Процесс экстракции широко используется в химической промышленности, в металлургии и лабораторной

Р и с. 2. Модель интеграции разделов химии и металлургии для процесса экстракции

практике. В частности, в гидропроцессах металлургии редких металлов экстракция применяется для разделения Ta и Nb, Zr и Hf, РЗЭ, получения из водных растворов таких элементов, как Re, In, Tl, Sc, U и др. Например, экстракция рения из сернокислотных растворов протекает по механизму межфазного анионного обмена с использованием экстрагента катионного типа ТОА по реакции:

(R₃NH)HSO₄ + ReO₄^- ⇔ ⇔ (R₃NH)ReO₄ + HSO₄^-.

В результате реэкстракции рения 5—10 % раствором аммиака выделяется перренат аммония и концентрация рения увеличивается в 50—70 раз.

Большинство промышленных способов получения тех или иных металлов, независимо от сложности и многообразия технологических схем, обязательно включают в себя переделы, основанные на окислительно-восстановительных процессах. Химизм технологии получения любого металла, как правило, представляет собой сово- купность ОВР. Так, в пирометаллургических процессах окислительные и восстановительные плавки лежат в основе получения чугуна и стали. Металлотермическое получение металлов (Mn, Cr, V и др.) представляет собой восстановление оксидов этих металлов другим металлом. Окислительный, хлорирующий и фторирующий обжиги с точки зрения химии представляют собой процессы окисления-восстановления. В гидрометаллургии также реализуется множество процессов, основанных на ОВР. Примерами могут служить электролиз растворов в производстве меди, никеля, цинка, процесс цементации, автоклавное осаждение, которое применяется для осаждения Cu, Ni, Co из концентрированных растворов [1; 4].

Следовательно, изучение окислительно-восстановительных реакций, особенностей и условий их протекания, составление электронного и электронно-ионного балансов, нахождение окислительного и восстановительного эквивалентов являются прерогативой соответствующих разделов «Общей химии» и «Химии металлов» и служат своеобразной подготовительной базой для усвоения некоторых металлургических процессов.

Технология получения феррохрома и хрома из хромовой руды — хромистого железняка (FeO ∙ Cr2O3), содержащего Cr2O3 до 62 %, заключается в восстановительной плавке руды при температуре 1 600—1 800 °С, где в качестве восстановителя может использоваться коксик (С), кремний или алюминий. Основные окислительно-восстановительные процессы представлены следующими уравнениями реакций:

1/3Cr2O3 + C = 2/3Cr + CO

FeO + C = Fe + CO

2/3Cr2O3 + Si = 4/3Cr + SiO2 2FeO + Si = 2Fe + SiO2

Cr2O3 + 2Al = 2Cr + Al2O2 3

Гидрометаллургические способы получения хрома состоят в сплавлении хромистого железняка с содой в присутствии кислорода воздуха, выщелачивании спека раствором серной кислоты и восстановлении хрома вначале до оксида, а затем до металла.

Химическая сущность каждого из перечисленных процессов может быть представлена соответствующим уравнением окислительно-восстановительной реакции, информацию о которых студенты получают при изучении химии хрома и окислительно-восстановительных реакций на I курсе:

4FeCr2O4 + 8Na2CO3 + 7O2 =

= 8Na2CrO4 + 2Fe2O3 + 8CO2↑ 2Na2CrO4 + 2H2SO4 = Na2Cr2O7 +

+ 2NaHSO4 + H2O

Na2Cr2O7 + 2C4 = Cr22O3 +

+ Na2CO3 + CO↑

Таким образом, в настоящей работе рассмотрена роль химии как объекта интеграции в преподавании металлургических дисциплин в техническом вузе. Изучение студентами химических дисциплин направлено на получение знаний, способствующих формиро- ванию определенного химического мышления с учетом профиля направления подготовки металлургических и металловедческих специальностей [5].

Инновационная деятельность кафедры в настоящий момент состоит в совершенствовании методической работы, внедрении новых методик обучения, создании электронного пространства, необходимого для обеспечения мобильного распространения знаний в виде лекций, учебных пособий, тестов, а также для управления учебным процессом.

Несомненно, совершенствование преподавания учебных курсов, их взаимодействие и интеграция способствуют повышению уровня знаний студентов по базовым и техническим дисциплинам, росту эффективности их научно-исследовательской работы и в конечном счете подготовке высокоинтеллектуальных специалистов, способных к инновационной инженерной деятельности.

СПИСОК

ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

INTEGRATION OF CHEMISTRY WITH METALLURGY COURSES IN THE INNOVATIVE ACTIVITY OF AN

ACADEMIC CHAIR

O. P. Chernova, O. A. Bragazina

( The National University of Science and Technology MISiS )

The article addresses the issues of the interdisciplinary integration of some sections of chemistry with metallurgy in terms of leaching and extraction processes. The physico-chemical basis for those processes is considered, which rests on the series of chemical subjects (general, inorganic, organic, analytical and physical chemistry) learned during freshman classes. The teaching approach to those disciplines should embrace formation of knowledge of chemistry’s fundamental laws and its significance in solving technological problems.