Природные источники углеводородов и их роль в современном обществе

Разделы: Химия

Цели и задачи:

  • обобщить и продолжить формирование знаний учащихся о природных источниках углеводородов, о комплексном использовании сырья, о современной технологии их переработки, энергетических и экологических проблемах;
  • охарактеризовать углеводороды как вещества и выявить экологические последствия, связанные с добычей и переработкой;
  • формировать и совершенствовать навыки работы со специальной литературой, уметь анализировать, вести дискуссию;
  • проверить умения учащихся решать химические задачи, составлять уравнения реакций, отражающих генетическую связь углеводородов.

Средства обучения: компьютер, проектор, кроссворды, вопросы химической викторины.

Приложение - презентация работы на диске (обязательно с видеофрагментом).

Подготовка: подготовку начинаем за месяц - сообщаю учащимся тему и задачи конференции, сроки проведения, план работы, список литературы, и даты консультаций по подготовке материала. Основные требования к работам - их краткость, творческий характер, составление ответа по возможности в виде схемы. Выполняют творческую работу по одной теме не более 2-х человек, что дает возможность представить лучшие работы к участию в конференции. В работе урока-конференции участвуют: учитель как ведущий, докладчики, 4 команды учеников (количество докладчиков по желанию).

План проведения конференции:

1. Вступительное слово учителя.

2. Выступления учеников с сообщениями.

3. Химическая викторина.

4. Химический кроссворд.

5. Итоги конференции.

Начинает конференцию учитель, сообщает тему урока-конференции и задачи.

Содержание конференции: На классной доске записаны слова:

Нефть – это ярость cвета,
Ветра напор у виска.
Нефть – голубая ракета,
Рвущаяся в облака.

Во вступительном слове напоминаю учащимся, что человечество ежегодно потребляет около 7,5 млрд. тонн углеводородов. А расходуются эти углеводороды главным образом в качестве топлива. Именно поэтому особое место на нашем уроке уделяется данному вопросу, связанному с их добычей, переработкой и энергетическими и экологическими проблемами.

I этап конференции: сообщения учащихся.

1 ученик: “Происхождение природных горючих ископаемых”. Предположение о неорганическом происхождении нефти выдвинул Д.И. Менделеев в 1876 году. Он считал, что вода, которая попадает в недра Земли по разломам в земной коре, под действием высоких температур и давлений реагирует с карбидом железа, образуя углеводороды, которые поднимаются по трещинам породы и скапливаются в ловушках-пустотах. Гипотеза разработана геологами под руководством Н.А. Кудрявцева в 1950-е годы, где в качестве аргумента приводится факт, что многие месторождения нефти и газа находятся под зонами глубинных разломов земной коры, в вулканических породах. Основы биогенной теории в нашей стране заложили В.И. Вернадский и И.М. Губкин, согласно которой, нефть образовалась из остатков наземной растительности и морского планктона, т.к. в составе нефти обнаружены споры и пыльца растений, а также азотсодержащие органические соединения, ведущие свое происхождение из хлорофилла растений и гемоглобина животных. Вопрос о происхождении нефти связан с проблемой ресурсов природных источников углеводородов, которые могут быть исчерпаны. Окончательное решение этого вопроса ученым еще предстоит найти.

1 ученик: “Нефть, как химическое вещество” (показ 2 слайдов). Нефть издавна известна человеку. В древнем Египте и Риме нефть применяли для строительства дорог и других сооружений. С конца XVIII века продукт переработки нефти, керосин, стал использоваться для освещения жилищ и улиц. С XIX века, с изобретением двигателей внутреннего сгорания нефтепродукты стали основным видом топлива для различных транспортных средств. Нефть – маслянистая горючая жидкость обычно темного цвета, с резким своеобразным запахом, немного легче воды (плотность 0,73-0,97 г/см3), в воде нерастворима. Нефть – сложная смесь, включающая в себя около 100 различных веществ, большая часть которых – углеводороды (90%)и органические соединения, содержащие кислород, серу, азот и другие элементы. Обычно нефть содержит три вида углеводородов – парафины, циклопарафины (нафтены) и ароматические. Большая роль в изучении состава нефти различных месторождений принадлежит российским химикам Д.И. Менделееву, В.В. Марковникову, Н.Д. Зелинскому и др.

2ученик: “Нефть как природное ископаемое. Добыча нефти” (показ 2 слайдов). Добычу нефти в нашей стране можно изобразить на графике (см. слайд), где по оси Х – отложили годы, а по оси Y – количество добываемой нефти в миллиардах тонн. Нефть добывают в основном с помощью бурения скважин. Нефть и сопутствующий газ находятся в пластах под давлением, поэтому нефть как бы вытесняется давлением на поверхность. Такой способ добычи называется фонтанным. По мере добычи нефти давление в пласте уже становится недостаточным, поэтому это давление создают искусственно. Для этого бурят рядом не одну, а две скважины и в одну из них пропускают газ под определенным напором, а через другую скважину этот газ вытесняет оставшуюся нефть. Нефть, только что добытую из скважины, называют сырой. Сырая нефть – это сложное вещество, имеет вид маслянистой жидкости и представляет собой смесь углеводородов. Всего всех углеводородов входящих в состав смеси около 70 %. А остальные 30 % - это неуглеводородные компоненты и вода. Если отделить воду от нефти, то получим товарную нефть. Однако ее нельзя использовать ни в качестве топлива, ни в качестве сырья для химических процессов. Она должна быть переработана.

3 ученик: “Транспортировка и переработка нефти” (показ 2 слайдов). Современная нефтепереработка – это комплекс производственных процессов, направленный на получение нефтепродуктов и сырья для нефтехимии, органического и микробиологического синтеза. Существует первичная и вторичная переработка нефти. Так как нефть – сложная смесь природных углеводородов различной молекулярной массы, то первичная переработка – это перегонка нефти, которая позволяет разделить нефть на отдельные фракции в соответствии с температурой кипения углеводородов. Так получают светлые фракции - бензин, лигроин, керосин, газойль. После отгонки из нефти светлых продуктов остается вязкая черная жидкость - мазут. Для получения высококачественных нефтепродуктов фракции нефти подвергают вторичной переработке. Вторичная переработка – это термический (500-6000С) или каталитический (450-4800С) крекинг, основанный на том, что при сильном нагревании углеводороды становятся неустойчивыми. Разрываются связи между атомами углерода в молекулах и образуются углеводороды с меньшей молярной массой и с более разветвленным скелетом. Заключительная стадия переработки - смешение отдельных компонентов для получения товарных топлив и смазочных масел, что можно проследить на примере бензина как одного из важнейших нефтепродуктов. Для характеристики качества бензина разработана октановая шкала. Октановое число (о.ч.) относительно устойчивого к детонации изооктана принято за 100. По этой шкале бензин с октановым числом 92 имеет такие же детонационные свойства как смесь 92% по объему изооктана и 8% гептана. Именно октановое число указывается в маркировке бензина. Чем оно больше, тем качество бензина выше, тем мощнее двигатель. Октановое число бензиновой фракции, полученной при перегонке нефти, не превышает 65-70. Для повышения о.ч. бензин прямой перегонки смешивают с другими нефтепродуктами, добавляют вещества, увеличивающие его детонационную стойкость (например, тетраэтилсвинец, железо, толуол). Все эти вещества загрязняют окружающую среду, выводят из строя двигатель и систему очистки выхлопных газов. В настоящее время используются антидетонационные кислородсодержащие добавки к топливу – метанол, этанол и др. При сгорании топлива с такими добавками образуется меньше оксида углерода (II) по сравнению с обычным бензином.

4 ученик: “Природные нефтяные и попутные газы. Транспортировка газа” (показ 3 слайдов).

Природный газ является важным источником сырья для химической промышленности. Основной составной частью природного газа является метан (80-97%). Кроме метана в природном газе присутствуют его гомологи - этан, пропан, бутан, а также неорганические примеси – углекислый газ, азот, инертные газы. Предельные углеводороды-газы не имеют ни цвета, ни запаха. Природный газ бытового назначения имеет неприятный запах, т.к. в него добавляют небольшие количества сильно пахнущего меркаптана CH3SH, чтобы вовремя обнаружить утечку газа.

Попутный нефтяной газ по происхождению тоже является природным. Свое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью - он растворен в ней и находится над нефтью, образуя газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность, он отделяется от нее вследствие резкого падения давления. Возможности использования его значительно шире, чем природного, так как в нем кроме метана содержится значительное количество других углеводородов. Поэтому путем химической переработки из него можно получить больше веществ, чем из природного газа.

5 ученик: “Каменный уголь” (показ 2 слайдов). Каменный уголь - это сложная смесь высокомолекулярных соединений, в состав которых входят такие элементы: углерод, водород, азот, кислород, сера. В природе каменный уголь находится в таких регионах: Подмосковный бассейн, Кузбасс, Сибирь, Канско-Ачинский бассейн. При коксовании угля протекают физико-химические процессы, сопровождающиеся поглощением энергии. При нагревании угля без доступа воздуха до высоких температур происходит разложение высокомолекулярных соединений, при этом образуются летучие вещества и твердый остаток – кокс.

6 ученик: “Коксохимическое производство” (показ слайда). Промышленной переработкой каменных углей – коксованием - занимаются коксохимические предприятия. Процесс коксования длится примерно 14 часов. Образовавшийся коксовый “пирог” выгружают из камеры в вагон и затем гасят водой или инертным газом. Основными продуктами являются кокс, каменноугольная смола, коксовый газ. Кокс представляет собой практически чистый углерод, который используется в доменном процессе. Каменноугольная смола является источником некоторых ароматических углеводородов, фенолов и гетероциклических соединений. Коксовый газ применяется после очистки в качестве топлива в промышленных печах, так как он содержит много горючих веществ, используется как химическое сырье.

7 ученик: “Экологические проблемы. Методы ликвидации нефтяных пятен” (показ 2 слайдов). Ученые подсчитали, что ежегодно на морских трассах может возникнуть не менее 10 тысяч опасных ситуаций. При этом около одного миллиарда тонн нефти может вылиться в океан. 23 марта 1989 года на Аляске произошла крупнейшая экологическая катастрофа с танкером, на борту которого находилось около 50 тонн нефти. Танкер налетел на рифы и на поверхность воды вылилась почти вся нефть. При этом образовалось огромное нефтяное пятно, в результате которого погибли рыбы, водоросли, морские животные, птицы, чьи перья слиплись от нефти и они не смогли подняться в воздух. Конечно, лучше если не будет ни одной аварии, но реальность другая. И поэтому нужно знать, как можно убирать нефть из океана. На сегодняшний день существует несколько методов борьбы с нефтью в океане:

Метод ограждения. Если нефтяное пятно окружить плавающими заграждениями, оно не будет увеличиваться в размерах. Такие заграждения называются контейнерами. Их можно даже передвигать в удобное для ликвидации место. Затем специальное судно откачивает нефть из контейнеров насосами. Но эту откаченную нефть использовать как топливо нельзя, кроме того, этот метод применяется только при спокойной погоде, т.е. когда на море нет волн. А если авария произошла в полярных водах, нефть становится вязкой, что влечет за собой некоторые трудности.

Химическое рассеивание. Существуют химические препараты для ликвидации пятен, которые стягивают нефть в плоские маленькие пятна, уплотняют нефть в кубики. Самые эффективные из них называются диспергентами. Диспергенты – это вещества, которые разбивают нефтяной слой на мельчайшие капельки, которые не смешиваются друг с другом. Затем эти вещества вылавливаются большими сачками и сжигаются на суше.

Оседание. Ученые обнаружили, что если нефтяное пятно посыпать слоем мела, то мел будет впитывать в себя нефть, и очень быстро тонуть, очищая, таким образом, поверхность воды от нефтяных пятен, однако нефть остается на дне и продолжает отравлять флору и фауну океана.

Поглощение. Всем нам известны солома и торф, – которые поглощают нефть, после чего их можно аккуратно собрать и вывести с последующим уничтожением. Этот метод годится лишь в условиях штиля и только для небольших пятен. Этот способ весьма популярен в последнее время из-за своей дешевизны и высокой эффективности.

Самоликвидация. Метод применяют в том случае, если нефть разлита далеко от берегов и пятно небольшое. Постепенно пятно растворится в воде и частично выпарится.

8 ученик: “Статистический анализ выбора самого эффективного метода ликвидации” (показ 1 слайда). Из методов ликвидации нефтяных пятен, которые существуют, можно выбрать наиболее эффективный. Методы оцениваются по таким критериям: денежные затраты, эффективность, природные условия и экологическая чистота. Оценка ведется по пятибальной системе от одного до пяти. Чем меньше баллов наберется у метода, тем этот метод лучше. Можно сравнить наши методы с предложенной оценкой Green Peace. Оценка не совпадает оценкой Green Peace, т.к. они используют в оценке более 25-ти критериев, а у нас всего четыре. Метод поглощения, как самый дешевый, на первом месте; методы химического рассеивания и ограждения на втором месте; и третье место занимают методы осаждения и самоликвидации.

9 ученик: “Топливо и энергетические проблемы”. В настоящее время на химическую переработку идет около 10% добываемой нефти. Все остальное используется как топливо. Нефть – основной источник энергии. Потому что жидкое топливо наиболее удобно - легко транспортируется, содержит мало примесей. Уровень материального благосостояния общества определяют количеством энергии, которое вырабатывается на душу населения. Энергетические проблемы стали реальным ограничителем для дальнейшего роста материальной культуры человечества – энергетический кризис 70-х г. XX века. Ситуация обострилась из-за неверных оценок перспектив развития энергетики. Если традиционные виды топлива исчерпываются, то почему наше государство постоянно экспортирует ископаемые?

10 ученик (продолжает): Государство вынуждено продавать нефть, что обусловлено рядом проблем, стоящих перед страной. Торговля полезными ископаемыми приносит стране прибыль, которую государство использует в различных целях. Страны, купившие нефть, либо консервируют, либо перерабатывают ее, получая большой ассортимент продукции, часть которой экспортируется в Россию. Ведь нефть используется не только как топливо, но и как ценное химическое сырье для органического синтеза.

Учитель: Для развития энергетики сегодня необходимо знание многих наук, но в большей степени – знание химии. Так как они необходимы для реализации комбинированных производств, переработки отходов с целью получения необходимых веществ, не приносящих вреда окружающей среде и населению земного шара.

11 ученик: “Нефть и политика” (показ 1слайда). Черное золото всегда было предметом войн и ожесточенных споров. В последнее время не остается без внимания вопрос нефтепровода Баку-Тбилиси-Джейхан (БТД). В 2000 году в Каспийском море было обнаружено месторождение, запасы нефти в котором тогда были оценены в 50 миллиардов баррелей. Это самое крупное из неразработанных месторождений мира. Запасы месторождения составляют от 70 до 200 миллиардов баррелей нефти и около 9 триллионов кубометров газа. Это меньше, чем у Ирака, но намного больше, чем у США и Европы. Как известно, у кого нефть — у того и власть. Поэтому мировые державы целенаправленно занимают, а иногда и отвоевывают нефтяные месторождения. В данном случае охотники за нефтью столкнулись со сложностью. Каспий окружен сушей со всех сторон, поэтому для транспортировки нефти не обойтись без наземного трубопровода. А это возможно только при договоренности с одной из стран Каспийского бассейна: Россией, Ираном, Казахстаном, Азербайджаном или Туркменистаном. Иран требует равного раздела Каспия и его ресурсов между пятью прибрежными государствами. То, что поделить справедливо возможно – это вопрос, но то, что нефть в Каспийском бассейне добывают – это уже реально. При этом добывают, нарушая экологическое законодательство. Компания British Petroleum (BP) старается убедить мир, что она “установила новый международный эталонный тест в области прав человека и стандартах окружающей среды” в ходе строительства этого нефтепровода. Обращения правозащитников к исполнительной власти и местным представителям компании BP результатов не дали. BP пока отказывается комментировать происходящее, заявляя, что “строительство БТД отвечает самым высоким стандартам, а права человека соблюдены”.

12 ученик: (продолжает) (показ предыдущего слайда). Северо-Европейский Газопровод (СЕГ) планируется ввести в эксплуатацию в 2010 году. Его протяженность составит 1200 км: по акватории Балтийского моря от Выборга (Ленинградская область) до Грайсвальда (Германия). На первом этапе будет построена одна нитка газопровода пропускной способностью 27,5 млрд. кубометров газа в год. В проекте предусмотрено строительство второй нитки, которая увеличит мощность СЕГ до 55 млрд. кубометров. Основной сырьевой базой для поставок газа по Северо-Европейскому газопроводу определено Южно-Русское газонефтяное месторождение в Тюменской области. Общий объём инвестиций по проекту разработки месторождения оценивается в 1 млрд. евро. Доказанные запасы месторождения оцениваются более чем в 700 млрд. кубометров. По словам защитников окружающей среды, со времен второй мировой войны на балтийском дне покоятся залежи химического оружия и, может оказаться, что трасса СЕГ пройдет через эту химическую свалку. В этом случае Балтийскому морю грозит экологическая катастрофа. После Второй мировой войны здесь было затоплено трофейное немецкое химическое оружие - 302 875 тонн химических боеприпасов (свыше 66 000 тонн чистых отравляющих веществ). Большая часть этих боеприпасов была снаряжена ипритом, но были также зарин, зоман, синильная кислота. Специалисты полагают, что наибольшая опасность исходит от затонувших судов, так как рассыпанные по дну моря снаряды, по крайней мере, зарастают илом и получают некий “каркас защиты”. А вот ОВ на судах - это опасность залпового выброса их в акваторию мелководного Балтийского моря. Это может привести к экологической и экономической катастрофе во всех странах региона.

II этап конференции – химическая викторина в виде вопросов и ответов, но также можно провести ее в виде демонстрационных опытов. Объяснить ответы и наблюдаемые химические явления должны члены соревнующихся команд. Демонстрационные опыты проводят учащиеся, хорошо знающие химию, специально подготовленные, а также учитель (в литературе есть много интересных опытов, методика их проведения).

Вопросы для викторины (примерные, могут меняться).

1. В каком из предельных углеводородов содержание углерода по массе минимально? (Ответ: метан CH4 – 75%)

2. Почему коксовая печь состоит из множества камер, а не одной? В чем технологические недостатки процесса? (Ответ: длительность и периодичность коксохимического процесса, использование дорогостоящих углей).

3. Составьте уравнения некоторых реакций, протекающих при крекинге углеводородов из состава нефти.

4. В чем сходство и различие между процессом перегонки и крекингом?

5. Может ли октановое число топлива быть больше 100 или меньше 0? (и т.д.)

III этап конференции – ответы на вопросы кроссвордов (несколько кроссвордов).

Задания к кроссвордам выдаются ученикам перед третьим этапом конференции, на доске располагаем стенды с кроссвордами:

1. Проводим конкурс, разделив группу на четыре команды. Мне помогают все учащиеся, которым интересна химия и данная тема. Быстро, с интересом соревнования учащиеся команд называют ответы на кроссворд.

Пример: кроссворд №1. Если правильно вписать в клетки по горизонтали ответы, то в выделенном столбце по вертикали получите фамилию автора теории химического строения органических соединений (Бутлеров).

1. Нефтепродукт, топливо для автомобилей (бензин).

2. С4Н10 (бутан).

3. С6Н5СН3 (толуол).

4. Предельные углеводороды с общей формулой СnН2n+2 (алканы)

5. Ароматические углеводороды (арены).

6. Один из способов переработки нефти (крекинг).

7. С6Н5ОН (фенол)

8. Реагент, непременный участник реакции гидратации (вода).

3. Итоги по кроссвордам.

IV этап конференции – подведение итогов:

  • краткая оценка заслушанных сообщений;
  • итоги конференции, самые активные участники получают призы;
  • заканчиваю урок-конференцию словами Д.И   Менделеева: “Без светоча науки и с нефтью будут потемки”.

Примечание:

  • урок провожу продолжительностью 80 минут;
  • роль ведущего оставляю за учителем, так как это позволяет выгодно представить сообщения;
  • количество учеников, готовящих сообщения, может меняться в зависимости от времени проведения мероприятия.

(В работе использованы материалы рассылки ENWL-info)

Литература

  1. С.С. Бердоносов, Е.А. Менделеева, М.Н. Коробкова. Методические рекомендации “Химия 8-9”. М., “Просвещение”. 2004.
  2. П.Д. Васильева, Н.Е. Кузнецова. Обучение химии. СПб., “Каро”, 2003г
  3. Ю. Н. Гладкий, С. Б. Лавров. “ Дайте планете шанс!”.
  4. Э.Г. Злотников. Урок окончен - занятия продолжаются. М., “Просвещение”, 1992 г.
  5. Л.А. Савина. Я познаю мир. Детская энциклопедия. М., “АСТ”, 1995 г.
  6. Соловьев Ю.Н. История химии. М.,“Просвещение”, 1976 г.
  7. В.А. Онищук. Урок в современной школе. М., “Просвещение”, 1986.
  8. Г.И. Штремплер. Химия на досуге. М., “Просвещение”. 1993.
  9. Химия в школе, журнал №4 1986 г.
  10. Книга по химии для домашнего чтения. М., “Химия”. 1995 г.
  11. Приложение к газете 1 сентября “Химия” №1,3,9, 2004 г.
  12. Приложение к газете 1 сентября “Химия” №13,19, 24 2005 г.
  13. Экология цивилизации. Сохраним наш мир. Т.2 //Под редакцией А. А. Агеева
  14. Энциклопедический словарь юного химика. М., “Педагогика”, 1982.