Природные источники углеводородов

Анализируя результаты психодиагностических исследований, проводимых среди учащихся 9 классов нашей школы, касающиеся предпочтений профессиональной деятельности и интересов к учебным дисциплинам, можно сделать вывод, что круг увлечений у современных выпускников велик и разнообразен. Поэтому заинтересовать ребят предметом химии не просто. Я предлагаю повышать познавательную активность учащихся через уроки глобальной ориентации.

Вниманию читателей предоставляется разработка урока глобальной ориентации по теме “Природные источники углеводородов”, проводимого в 10 классах.

Последовательность насыщения базисной основы урока (.) материалом глобальной ориентации (*) отражена в логико-смысловой модели (ЛСМ) (рисунок 1).

Рис. 1

Природные источники углеводородов
10 класс

Тип: интегрированный, контрольно – обобщающий урок.

Форма: семинар.

Цель:

• приблизить учащихся к осознанию целостности и взаимозависимости мира, единства человека и природы.

Задачи:

• повышение информационной насыщенности образования;
• укрепление межпредметных, надпредметных связей;
• формирование экологического сознания;
• развитие логики, мышления, коммуникативных способностей учащихся.

Предварительная работа:

• изучение базисной части учебного материала;
• знакомство с вопросами семинара (приложение 1);
• задания учащимся для подготовки рефератов и сообщений:

“История открытия и применения природного газа”
“История происхождения и применения нефти”
“Бензины. Детонационная стойкость бензинов”
“ Устройство и работа двигателя внутреннего сгорания”
“ Нефтяные войны”
“ Охрана окружающей среды от загрязнения нефтепродуктами”
“Уголь”
“Роль каменноугольных месторождений в развитии палеонтологии”
“Залежи нефти и газа в зоне экономического влияния Мурманской области”

Формы опроса учащихся:

• устные ответы учащихся на вопросы семинара;
• решение расчетных задач;
• тестирование;
• составление уравнений крекинга;
• доклады и сообщения учащихся по результатам подготовки рефератов и сообщений.

Оборудование:

• книжная выставка по теме урока;
• учебные плакаты “Коксовая печь”, “Ректификационная колонна”;
• раздаточный материал: а/ Сырая нефть б/ Коллекции “Нефть и нефтепродукты”, “Каменный уголь”, “Топливо”;
• географическая карта, съемные значки полезных ископаемых;
• карточки с заданиями для программированного опроса (приложение 2), расчетными задачами (приложение 3);
• стенд “Палеонтология”, геохронологическая таблица;
• модель двигателя внутреннего сгорания;
• кодоскоп.

ХОД УРОКА

I.  Организационная часть, введение – “Ресурсы России”.

II. Семинар.

1. Природный газ: важнейшие месторождения на территории СНГ, объемы добычи.
2. История открытия и применения природного газа.
3. Решение расчетной задачи на составление термохимического уравнения сгорания метана.
4. Состав, области применения природного и попутного нефтяного газа.
5. Выборочное тестирование.
6. История происхождения и применения нефти.
7. Нефть: основные месторождения на территории СНГ, объемы добычи.
8. Физические свойства и состав нефти.
9. Первичная переработка нефти. Устройство и работа ректификационной колонны.
10. Крекинг нефтепродуктов.
11. Напишите уравнения реакций крекинга додекана и октана.
12. Выборочное тестирование.
13. Применение нефтепродуктов.
14. Детонационная стойкость. Марки бензина.
15. Устройство и работа двигателя внутреннего сгорания.
16. Решение расчетной задачи на определение количества вещества – продукта сгорания бензина.
17. Мировые запасы нефти. Нефтяные войны.
18. Залежи нефти в зоне экономического влияния Мурманской области.
19. Охрана окружающей среды от загрязнения нефтепродуктами.
20. Каменный уголь – основные месторождения, объемы добычи, происхождение.
21. Выборочное тестирование.
22. Состав каменного угля, применение продуктов его переработки.
23. Устройство и работа коксовой печи.
24. Решение расчетной задачи по уравнению сгорания угля, содержащего примеси.
25. Роль каменноугольных месторождений в палеонтологии.

III. Заключение: альтернативные источники энергии.

VI. Подведение итогов работы семинара.

Ресурсы России

Россия занимает 1 место в мире по добыче природного газа: 600 млрд м³/год. По добыче нефти 3 место в мире: 300-360 млн. тонн в год.

В настоящее время в России известно приблизительно 2058 месторождений. Из них: 1710 – нефтяных, 217 – газонефтяных, 238 – газовых, 135 – газоконденсатных, 208 – нефтегазоконденсатных. В разработке находится 1129 месторождений, но большинство из них уже выработаны, запасы истощаются, из них рентабельными считаются лишь 29%. Нефтегазодобыча смещается в восточные и северные районы, что ведет к удорожанию извлекаемого сырья (1,2).

Газ

Природный газ заполняет пустоты, образующиеся в горных породах под землей. Человечеству этот газ известен с давних времен. Выходы горючего газа на поверхность через трещины в породах – “вечные огни” обожествлялись, часто использовались для сооружения храмов. Природный газ издавна применялся для обжига кирпича и извести, для приготовления пищи. Впервые его начали добывать и использовать в древнем Китае. Более 1000 лет назад его транспортировали по бамбуковым трубопроводам. В 1870 г. Д. И. Менделеев обосновал принцип строительства трубопроводов из железных труб (3).

Из истории происхождения и применения нефти

Залежи нефти находятся в недрах Земли на разной глубине. О происхождении нефти ученые утверждают, что это “планктон древних морей”, образовавшийся из растительных и животных остатков в течение долгих веков под действием микроорганизмов без доступа воздуха при повышенных температуре и давлении.

Нефть часто называют “черным золотом”. В глубокой древности славяне называли ее ропанкой, греки – петролеумом. Считается, что современное название – нефть – родилось от арабского “нафта” – вытекать.

Нефть известна людям очень давно. Более 6000 лет назад шумерам, населявшим территорию между Тибром и Евфратом, был известен вязкий нефтяной битум. В то время нефть использовали как вяжущее и уплотняющее вещество в строительном деле для изготовления кирпича. Битумными мазями лечили чесотку и нарывы, а длительными “ваннами” в нефтяных лужах пытались избавиться от боли в суставах, при болезнях желудка жевали пилюли из нефтяного битума. Жидкую нефть использовали как горючее для светильников, для военных целей.

Нефть добывали уже в эпоху раннего средневековья из колодцев, затем возникают первые скважины глубиной 200 – 300 м в Италии. В Китае бурение известно еще до нашей эры. В ХV веке в Париже появляются первые асфальтированные улицы. Главное, нефть стали использовать для керосиновых ламп. Уже в 1745 г. на реке Ухта на севере России архангельский промышленник Ф.С. Прядунов построил первый в мире нефтеперегонный завод. В день он получал из 27 т нефти 16 т керосина. Затем нефть понадобилась для двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей. После изобретения инженером В.Г. Шуховым метода перегонки нефти она стала универсальным топливом. Первая нефтяная скважина в мире была пробурена в 1848 г. в Баку, с нее началась эпоха промышленной добычи нефти.

Нефть меряют баррелями. Один баррель составляет около 136 кг.

Транспортировка нефти по суше в настоящее время осуществляется путем нефтепроводов, железнодорожных цистерн, между континентами – с помощью танкеров (3,4).

Мировые запасы нефти

Как видно по карте (рисунок 2), большая часть месторождений нефти располагается на Ближнем Востоке (67%). Латинская Америка имеет 9% мировых запасов, Западная Африка – 7%, Россия, Каспий, Средняя Азия – 6%, Северная Америка – 5%, Западная Европа, Китай и Юго-Восточная Азия – по 3%.

Рис. 2

Причем при нынешних темпах добычи нефти ее запасов должно хватить (рисунок 3): в Канаде на 6 лет, Норвегии – на 8, в США – на 11, России – 19, в Казахстане – 27, Мексике – 21, в Нигерии – 30, в Катаре – 55, в Саудовской Аравии – 85, в ОАЭ – 114, в Кувейте – 127, в Ираке – на 128 лет (12). Такое неравномерное распределение природных ресурсов часто становится причиной борьбы за нефтяные месторождения и рынки сбыта.

Рис. 3

Нефтяные войны

Нефть и война идут рядом уже не одно тысячелетие. Ещё задолго до нашей эры древние греки взяли на вооружение нефть-сырец. Во время осады крепостей и во время морских сражений они забрасывали противника глиняными горшками с горящей нефтью. Поскольку нефть имеет свойство не гаснуть даже на поверхности воды, это оружие устрашало врага, его так и назвали – “греческий огонь”.

Долгое время нефть широко не использовалась человеком (до появления первых паровых машин), затем она стала быстро вытеснять другие природные энергоносители: уголь, торф, лес. Именно в этот период нефть стала синонимом богатства и власти.

Первыми жертвами нефтяных войн стали народы Америки – индейцы (первая нефть была добыта в Северной Америке в 1682 г.), изгнанные колонистами с плодородных земель в пустыни и полупустыни Америки. Они были истреблены нефтяными королями в течение очень короткого времени, велась охота за скальпами индейцев.

С открытием промышленного способа переработки нефти, нефтяной бизнес получил новый импульс, и практически весь ХХ век и начало XXI прошли под знаком борьбы за нефтяные месторождения и нефтяные рынки сбыта. Приведем наиболее яркие примеры войны за нефть: Гражданская война 1917-1920 гг. в России на южных её рубежах; Сталинградская операция в годы Великой Отечественной войны, когда Адольф Гитлер главной задачей считал отрезать промышленные города России от нефти Каспия; Ирано-Иракская война, унесшая около миллиона человеческих жизней; Ирако-Кувейтская война, в которой Садам Хусейн напрямую задел интересы американских нефтяных компаний.

Последняя нефтяная война еще не закончена. Пока не найдена альтернатива нефти, международные и локальные конфликты неизбежны.

Бензины. Детонационная стойкость бензинов

Бензины применяются в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания, а также в качестве растворителей и промывочных жидкостей.

Основные эксплуатационные характеристики бензинов, применяемых как горючее: испаряемость, горючесть, воспламеняемость, химическая стабильность, склонность к образованию отложений, коррозионная активность.

Мера детонационной стойкости бензина, т.е. способности нормально сгорать в двигателе при различных условиях, – октановое число. Для улучшения детонационной стойкости бензинов применяют высокооктановые компоненты.

Сейчас в России существуют различные марки бензинов: летние и зимние. Также бензины подразделяются на авиационные и автомобильные.

Ученые постоянно работают над проблемой улучшения качества автомобильных бензинов: запрещаются вредные компоненты, рекомендуются добавки к бензинам, улучшающие их качество и экологическую чистоту, продолжается разработка современных устройств для получения бензинов из углеродного сырья различного происхождения.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания (рисунок 4) состоит из цилиндра, поршня, шатуна, коленчатого вала, маховика, клапана для впрыска топлива, клапана для выпуска продуктов сгорания, электрической свечи.

Один рабочий цикл проходит за четыре хода поршня.

Рис. 4

К сожалению, в выхлопных газах автомобилей содержатся около 200 компонентов, загрязняющих окружающую среду, среди них оксиды углерода, азота, углеводороды, альдегиды, сажа.

Причины дымления автомобилей различны – неисправность двигателя, неотлаженные системы питания или зажигания, низкий уровень технического обслуживания и контроля за состоянием автотранспортного средства, использование низкокачественного бензина.

Залежи нефти в зоне экономического влияния Мурманской области

На шельфе Баренцева и Печорского морей в зоне экономического влияния Мурманской области открыты богатые залежи нефти и газа, в числе которых получившее мировую известность Штокмановское газоконденсатное месторождение, с запасами более 3,0 трл. м³ газа. В Баренцовом море расположены 3 газовых (Мурманское, Северо-Кильдинское, Лудловское) и два газоконденсатных (Штокмановское и Ледовое) месторождения. Суммарные геологические ресурсы углеводородов шельфа Баренцева и Печорского морей оценивают более чем 35 млд.т. В настоящее время идет разработка этих месторождений, что позволит вывести экономику Мурманской области на новый уровень развития (11).

Охрана окружающей среды от загрязнения нефтепродуктами

К числу наиболее вредных химических загрязнителей относят нефть и нефтепродукты. Нефтепродукты оказывают вредное воздействие на окружающую среду. Например, аварии нефтяных судов стали настоящим бичом Мирового океана, нефтеперерабатывающие заводы являются источниками выбросов многочисленных вредных веществ. При сжигании нефтепродуктов большая часть токсичных выбросов уходит в атмосферу.

Ежегодно в океан попадают более 10 млн. тонн нефти. Поверхность Мирового океана загрязняется танкерами, имеет место утечка нефти при подводном бурении.

Например, в 1981 году в порту Клайпеда потерпел аварию танкер “Глобе Асими”, в море вылилось 1600 тонн мазута.

Нефтяные пленки на поверхности морей и океанов могут нарушать обмен энергией, теплом, влагой и газами между океаном и атмосферой. В конечном итоге они влияют на климат Земли, на баланс кислорода в атмосфере. Даже осевшие на дно нефтепродукты долгое время вредят всему живому.

В 1973 году было принято мировое соглашение по мерам безопасности танкерных перевозок, а также по ограничению выбросов от судовых двигателей.

Раньше танкеры мыли просто горячей водой, которую просто сливали за борт вместе с отмытой нефтью. Но ученые создали препараты для мойки танкеров, которые выполняют двойную задачу. Прежде всего, они значительно ускоряют мойку. Затем нефть самопроизвольно отделяется от моющего раствора, который можно использовать снова и снова, а собранную нефть можно утилизировать.

Наиболее часто применяемые способы борьбы с пролитой нефтью:

1. Самоликвидация.
2. Химическое рассеивание.
3. Метод осаждения.
4. Поглощение
5. Ограждение.

Все эти способы не идеальны. Поэтому самый верный способ борьбы с загрязнениями – не допускать аварий (6,7,8).

Уголь

Ископаемые угли – это твердые продукты изменения древних растительных остатков, используемые в промышленности в виде энергетического топлива, а также в виде технологического и химического сырья. Их различают по зольности. Если зольность ниже 50% – это угли, если выше – горючие сланцы. По составу исходного вещества угли подразделяют на гумусовые и сапропелевые.

Элементарный состав углей: углерод (60-98%), водород (1-12%), кислород (2-20%), азот (1-3%), сера, фосфор, кремний, алюминий, железо.

Как же из мертвых деревьев рождается уголь? Все начинается с торфа или сапропеля, который постепенно превращается в бурый уголь, затем переходит в каменный уголь и, наконец, в антрацит.

Бурые угли имеют низкую теплотворную способность. Это низкокачественные угли, поэтому их редко используют как энергетическое сырье.

Каменные угли – очень плотные образования с большой теплотворной способностью. Из угля-сырца в ходе коксохимического производства можно получить более 4000 различных продуктов. Очень перспективен процесс сжижения угля и образования жидкого топлива. Из угля делают искусственный графит, золу используют для производства строительных материалов, керамического и огнеупорного сырья, глиноземов, абразивов, раскислителей.

Антрациты – это угли черного цвета с желтоватым оттенком и ярким металлическим блеском, там до 97% углерода. Горит антрацит бездымным пламенем, обладает более высокой теплотворной способностью и используется как топливо в металлургии и в химической отрасли промышленности. В электротехнике антрацит используется для изготовления микрофонного порошка.

Добыча угля осуществляется двумя способами:

1. Открытый – наиболее прогрессивный и экономичный.
2. Поземный способ – менее экономичный, сложный и дорогостоящий, но более перспективный, поскольку высококачественные угли находятся на большой глубине и добыть их можно только шахтным методом (4).

Палеонтология

Мир, в котором мы живем, постоянно меняется, и с ним меняемся мы. Но понять суть изменения можно, только зная прошлое, которое всегда оставляет следы, в том числе и на природных отложениях каменного угля.

В различных районах Земли находят отпечатки первых многоклеточных организмов, следы их жизнедеятельности. Современная наука позволяет определять возраст осадочных пород и, следовательно, время существования и гибели древнего организма. По животным и растительным остаткам судят о флоре и фауне тех далеких времен.

Биологи утверждают, что в каменноугольном периоде “с его теплым влажным климатом и воздухом, богатым углекислым газом вследствие сильной вулканической деятельности… пышная растительность сильно изменила состав атмосферы, обогатив ее кислородом, что имело важное значение для развития наземных животных… С конца каменноугольного периода в связи с усиленным горообразованием, охватившем весь земной шар, влажный климат почти повсеместно сменился сухим. В новых условиях древовидные папоротники стали быстро вымирать; лишь в сырых и тенистых местах удержались более мелкие формы. Вымерли и семенные папоротники…”.

Выяснено, например, что в палеозойскую эру на Кузбассе сначала господствовали плауновидные растения, затем их сменили кордаиты – древние голосеменные растения. Природа сохранила немногочисленные остатки таких растений (рисунок 5).

Карбоновые отложения дают информацию и о климате древних эпох. Например, раннекарбоновые плауновидные свидетельствуют о безморозном климате, по крайней мере в низинах. Более поздние, вышележащие угленосные отложения свидетельствуют скорее всего о тепло-умеренном или даже умеренном климате.

Уходили моря и рушились горы, шумели под жарким солнцем тропические леса там, где когда-то были барханы. В геологическом смысле такие смены длились десятки миллионов лет и происходят сейчас. Главная задача ученых – объединить все эти факты, создавая единую картину устройства мира (9,10).

Рис. 5

ЛИТЕРАТУРА

1. “География”, еженедельное приложение к газете “1 сентября” №№ 11,12,13/2003 г.
2. “География”, научно-методический журнал изд. “Школа-Пресс”,  №№ 2 и 8/2003 г.
3. А.А. Макареня. Повторим химию. М. Высшая школ, 1989 г.
4. Приложение к газете “Первое сентября”, “Химия”, №13, 2004 г.
5. А.А. Пинский, В.Г. Разумовский. Физика и астрономия. М., “Просвещение”, 2000 г.
6. С.Б.Шустов, Л.В. Шустова. Химические основы экологии. М. “Просвещение”, 1995 г.
7. Ю.В.Новиков. Экология. Окружающая среда и человек. М. “Просвещение”, 2000 г.
8. Энциклопедический словарь-справочник. Окружающая среда. Т.1,2, М.Ф.
9. В.А.Ивахненко, С.И.Корабельников, “Живое прошлое Земли” М. Просвещение, 1987 г.
10. С.В. Мейен, Следы трав индейских, М., “Мысль”, 1981 г.
11. В.В. Сагайдачная. Национально-региональный компонент государственного образовательного стандарта. Краеведческий материал на уроках химии. Мурманск. 2003 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Вопросы к семинару
“Природные источники углеводородов”:

* Состав, области применения природного газа.
*Фракционный состав, применение попутного нефтяного газа.
*Физические свойства, фракционный состав нефти.
*Применение нефтепродуктов.
*Перегонка нефти.
*Крекинг нефтепродуктов на примере октадекана. Сущность пиролиза нефти.
*Термический крекинг.
*Каталитический крекинг.
*Детонационная стойкость, марки бензина.
*Расчетные задачи с применением теплового эффекта сгорания углеводородов и массовой доли примесей.
*Экологические последствия добычи и переработки нефтепродуктов.
*Состав каменного угля, применение продуктов его переработки.
*Устройство и работа коксовой печи.
*Структура и перспективы использования углеводородного сырья.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Задания для программированного опроса:

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Расчетные задачи:

* При полном сжигании 42 л метана (н.у.) выделилось 1674 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение реакции горения метана.
* По термохимическому уравнению реакции горения метана

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + H₂O + 803 кДж

Рассчитайте, какое количество теплоты выделится при сгорании 5м³ метана (н.у.) и какое количество вещества кислорода потребуется на это горение.

* При полном окислении 0,5 моль этана выделилось 711,5 кДж теплоты. Составьте термохимическое уравнение этой реакции.
* Природный газ одного из месторождений содержит 92% (по объему) метана, 3% этана, 1,6% пропана, 0,4% бутана, 2% азота, оксид углерода и другие негорючие газы.. Какой объем воздуха потребуется для сжигания природного газа объемом 5м³ (н.у.)? Объемная доля кислорода в воздухе составляет 21%.
*При сжигании антрацита массой 40 г образовалось 3 моль диоксида углерода. Определите массовую долю примесей (в %) в антраците.