Природные источники углеводородов. Урок-конференция. 10-й класс

Цель урока: показать значение природных источников углеводородов и продуктов их переработки как источников энергии и химического сырья

Задачи урока

• образовательные: познакомить с природными источниками углеводородов, их составом и способами переработки;
• развивающие: активизировать познавательную деятельность учащихся, умение работать с дополнительными источниками информации, навыки исследовательской работы;
• воспитательные: формирование активной жизненной позиции учащихся при оценке экологических и социальных проблем, связанных с использованием природных источников углеводородов.

Оборудование: мультимедийные средства обучения: компьютер, презентация урока в программе Microsoft Power Point, образцы нефти, колбы, раствор перманганата калия, мел, древесные опилки, пенопласт

Тип урока: изучение нового материала.

Форма проведения: урок-конференция

Реализуются элементы технологии информационно-исследовательских проектов, а также группового способа обучения. Заранее были распределены роли, учащиеся работали в группах по 2-4 человека, подготовили сообщения по предложенным темам, используя дополнительную литературу. Общеучебные умения и навыки формируются в процессе познавательной деятельности при переработке информации, полученной из различных источников. Это умение выделять главное, анализировать, делать выводы, развитие умений выступать перед одноклассниками, т.е. коммуникационная компетентность.

Межпредметные связи: химия, география, кубановедение, экономика.

Учитель: Внимание! Некий класс химических соединений подчинил себе цивилизацию планеты Земля. Это невероятно многочисленный класс, но его отдельные представители состоят всего из двух элементов: углерода и водорода. Из-за обладания месторождениями и рынками сбыта этих веществ разгораются войны, возникают международные конфликты. Сегодня на уроке мы должны ответить на вопросы: что это за класс соединений, и можно ли ограничить сферы его влияния на планете Земля? Урок проводится в форме конференции, на которой мы выслушаем доклады специалистов. При этом мы должны выделить главное, законспектировать и сделать выводы.

Слайд 2. Итак, тема нашей конференции: «Природные источники углеводородов».

Слайд 3. Ее цель: показать значение природных источников углеводородов и продуктов их переработки как источников энергии и химического сырья.

Право открытия конференции предоставляется группе представителей СМИ, которая ознакомит вас с рассматриваемой проблемой.

Группа журналистов.

Слайд 4. Углеводороды в больших количествах извлекают из веществ природного происхождения: нефти, каменного угля, природного и попутного нефтяных газов. Именно они обеспечивают энергетические потребности человечества. При сгорании 1 кг нефти выделяется 46 тыс кДж, при сгорании 1м3 газа – около 38 тыс. кДж, в то время как 1 кг угля дает в лучшем случае только 29 тыс. кДж. Нефть – это «сгусток энергии»; при сжигании всего лишь 1 мл «черного золота» можно нагреть на 10°С ведро воды.

Кроме того, нефть, каменный уголь и природный газ служат сырьем для химической промышленности.

Группа лаборантов.

Слайд 5. Позвольте представить вашему вниманию результаты лабораторного опыта «Свойства нефти». Были исследованы образцы нефти Николаевского месторождения, находящегося на территории нашего Успенского района.

Нефть – маслянистая жидкость от желтого или светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она легче воды и в ней практически нерастворима.

Химический состав нефти

Нефть – это смесь различных углеводородов с примесями других веществ

Углеводороды: алканы, циклоалканы, ароматические.

Примеси: органические кислородные и сернистые соединения, вода, соли, песок, глина.

В зависимости от месторождений нефть имеет различный состав. Нефть Николаевского месторождения содержит циклические и непредельные углеводороды. Наличие последних удалось обнаружить с помощью раствора перманганата калия (наблюдали обесцвечивание раствора).

Группа химиков-технологов рассказывает о переработке нефти.

Слайд 6. Нефть, добываемую из земных недр, называют сырой. Сырую нефть предварительно очищают от газов, воды и механических примесей (песок, глина, минеральные соли т.п.), а затем подвергают перегонке. Она основана на разности температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти. Основными аппаратами являются трубчатая печь и ректификационная колонна. Нефть нагревают в трубчатой печи до температуры 350°С, образовавшиеся пары вводят в ректификационную колонну снизу.

После отгонки указанных фракций, получивших название светлых нефтепродуктов, остается темная вязкая жидкость – мазут (С₁₉ – С₅₃). Его подвергают перегонке под низким давлением (вакуумной переработке). При этих условиях из мазута выделяют соляровые масла, вазелин, парафин. Остаток от перегонки мазута – гудрон – используется в производстве асфальтов.

При перегонке нефти получают от 5 до 20% ее главного продукта – бензина.

Проблема. Число средств автомобильного и авиационного транспорта растет с каждым годом. Бензин и керосин, получаемые при перегонке нефти не могут удовлетворить все возрастающий спрос. Каким образом можно получить бензин, керосин дополнительно?

Слайд 7. Для увеличения выхода высококачественных бензиновых фракций в 1891 г. русский инженер В.Г. Шухов предложил химический способ переработки нефти – крекинг. Сущность крекинга заключается в расщеплении крупных молекул углеводородов на более мелкие.

С₁₆Н₃₄ → С₈Н₁₈ + С₈Н₁₆

Слайд 8. Исходным сырьем при вторичной переработке служат газойль, мазут.

Нефтепродукты подвергаются крекингу и риформингу. Риформинг (ароматизация) – это превращение алканов и циклоалканов в ароматические соединения.

Крекинг в зависимости от условий различают термический и каталитический.

Слайд 9. Таблица «Виды крекинга»

Группа экспертов по видам топлива. Качество топлива определяется стойкостью к детонации. Под детонацией понимают взрывное горение бензина при сжатии. Детонацию в основном вызывают углеводороды нормального строения. Разветвленные, непредельные, ароматические углеводороды снижают вероятность детонации. Детонационную стойкость характеризуют октановым числом. Детонационная стойкость гептана принята за 0, изооктана — за 100. Если октановое число марки бензина равно 95, то это значит, что пары бензина можно сжать без детонации как смесь 95% изооктана и 5% гептана. Бензин прямой перегонки имеет невысокое октановое число, т.к. в нем много углеводородов нормального строения.

Детонационная стойкость бензина повышается за счет проведения реакций изомеризации, ароматизации (риформинг) углеводородов или добавления к бензину специальных веществ, например, тетраэтилсвинец (ТЭС). Однако он очень ядовит, вызывает поражение нервной системы и др. тяжелые хронические заболевания. Поэтому при работе с этилированным бензином следует избегать его попадания на кожу и вдыхания паров. Чтобы отличить этот бензин от других, его окрашивают в различные цвета: А72 — розовый. А76 — желтый, А93 - оранжево-красный, АИ98 — синий.

Группа журналистов.

Слайд 10. Используя современные технологии, из нефти получают не только высококачественный бензин, но и непредельные и ароматические углеводороды – этилен, пропилен, бензол, толуол и др. Они применяются для изготовления мыла, стиральных порошков, взрывчатых веществ, растворителей, пластмасс, полиэтиленовой пленки, а значит – игрушек, посуды, различных предметов быта.

Слайд 11. Из нефти научились производить синтетический каучук (а значит – резину, растворители, лаки, пластмассу) и синтетические волокна – капрон, лавсан, найлон. Капроновое волокно в 2,5 раза прочнее натурального шелка. Капроновая нить с сечением 1 мм² выдерживает вес взрослого человека. В медицине пораженную часть кровеносного сосуда заменяют искусственной – из капрона или лавсана. В легкой промышленности из синтетических волокон производят ткани, одежду, белье, ковры. Нефть – это также сырье для добычи серы и редких элементов - стронция, ванадия, урана и др.

Из нефти получают даже продукты питания – искусственные масла, синтетический белок, которым подкармливают животных и птиц. Эксперты Всемирной организации здравоохранения предполагают, что в XXIв. Рацион каждого человека будет на 25-30% состоять из заменителей мяса и молока.

Группа историков.

Слайд 12. Нефтяная промышленность на Кубани .

Еще в 50-х годах XIX века на Тамани велась добыча нефти из колодцев, причем в год добывали от 1000 до 3000 ведер. В 1864 г. полковником А. Н. Новосильцевым в долине реки Кудако, близ станицы Киевской (Крымский район), была пробурена первая в России нефтяная скважина, дававшая до 20 т нефти в сутки. На памятнике первой нефтяной скважине высечены слова академика И. М. Губкина: «Долина реки Кудако является колыбелью нефтяной промышленности России». К нефтеносным районам Кубани проявляли интерес не только российские промышленники (Нобель, Гукасов), но и иностранные компании. Добыча нефти в большинстве случаев велась весьма простыми способами. Из колодцев глубиной до 24 м бадьями, с помощью ворота, черпали нефть, затем кипятили в котлах, а всплывший мазут использовали для смазки колес, конской сбруи, кожаной обуви и т.д.

Кубанская нефть отличается высоким качеством. К сожалению, в настоящее время большинство месторождений уже истощено и выработано до глубины 3000 м. Более глубокое бурение сказывается на себестоимости продукции.

Группа экологической экспертизы.

Слайд 13.

Океан седой гремит тревожно.
Он таит обиду в глубине,
Черные, раскачивая пятна
На крутой разгневанной волне.

Нефть – загрязнитель природной среды. В Мировой океан из различных источников ежегодно поступает 5-10 миллионов тонн нефти и продуктов ее переработки. При разливах нефти нефтяная пленка покрывает поверхность вод Мирового океана. Одна тонна нефти покрывает акваторию площадью от 2,6 до 12 км², при этом толщина нефтяной пленки не превышает 1 мм. Космические снимки показывают, что уже около 1/3 всей его поверхности покрыто маслянистой пленкой, которая снижает испарение, угнетает развитие планктона, ограничивает взаимодействие Океана с атмосферой.

В результате угнетаются процессы фотосинтеза, изменяется температурный режим воды.

Слайд 14. В ноябре 2011 года в Керченском проливе произошло столкновение сухогруза и танкера, в результате которого произошел розлив нефтепродуктов. В Азовском море образовалось нефтяное пятно. В районе аварии были выставлены боновые заграждения, установлена дамба. Случившееся поставило Азовское море на грань экологической катастрофы.

Мы будем с пятнами бороться
Мазута, нефти без конца.
И пусть борьба та отзовется
И в ваших душах и сердцах.

Группа лаборантов. Демонстрация опыта «Очистка воды от нефтяных загрязнений»

Лаборанты провели предварительно эксперимент с целью, выяснить, какой адсорбент лучше устраняет нефтяную пленку. Для опыта они использовали мел, древесные опилки и пенопласт.

Вывод: применяемые сорбенты (древесные опилки и пенопласт) требуют сбора и дальнейшей утилизации. В промышленных масштабах это довольно трудоемкий метод. Мел впитывает в себя нефть и очень быстро тонет, очищая поверхность воды, но нефть остается на дне и продолжает отравлять флору и фауну.

Группа экспертов по видам топлива.

Слайд 15.Геологический сосед нефти – природный газ – тоже непростое по своему составу вещество. Больше всего – до 95% по объему – в этой смеси метана. Присутствуют также этан, пропан, бутан, изобутан, азот, углекислый газ. Более тщательный анализ позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия.

Попутный нефтяной газ тоже является природным, но получил особое название потому, что встречается в составе месторождений нефти и растворен в ней под давлением. Попутные газы содержат меньше метана (30-50%), но больше его гомологов: этана, пропана, бутана и других углеводородов.

Слайд 16. Преимущества газообразного топлива перед твердым:

• энергетически выгодное топливо;
• легкость воспламенения;
• отсутствие золы и шлака при нагревании;
• отсутствие дыма, малое содержание оксида серы (IV), что улучшает экологию;
• удобство и дешевизна транспортировки.

Слайд 17. Именно поэтому газ становится постепенно энергоносителем номер один для коммунально-бытовых нужд и промышленных энергетических установок.

Слайд 18. В то же время он является важным источником сырья для химической промышленности (рассказ о продуктах газа).

Слайд 19. Как показывает анализ диаграмм, Россия является безусловным лидером в мировой добыче природного газа.

Слайд 20. Каменный уголь – это смесь веществ, состоящая из соединений углерода, водорода, кислорода и серы. Кроме органических соединений, в состав каменного угля входят некоторые неорганические вещества: Н₂О, H₂S, C.

В лучшем сорте угля – антраците, например, на углерод приходится 94%. Остальное достается водороду, кислороду и некоторым другим элементам.

Слайд 21. Доля Росси в мировой добыче угля составляет 5,1%.

Запасы каменного угля в природе значительно превышают запасы нефти. В нашей стране находится половина всех мировых запасов угля. Поэтому каменный уголь - важнейший вид сырья для химической промышленности. Одним из основных способов получения углеводородов из каменного угля является его коксование. При этом осуществляется сухая перегонка (пиролиз) при температуре 900-1200°С.

Слайд 22. Продукты коксования (состав и применение):

кокс (96 - 98% С, металлургия)

коксовый газ (60% Н₂, 70 % СО, 25% СН₄, отопление)

каменноугольная смола (бензол и его гомологи, фенолы, получение ароматических углеводородов)

сульфат аммония (производство удобрений),

Группа историков.

Слайд 23. Происхождение нефти.

Загадка, которую по-прежнему не могут разгадать ученые. Две теории, которые борются за право способ возникновения этой черной жидкости в недрах – абиотическая (неорганическая) и биотическая (органическая). Главный «строительный материал» первой – химические реакции, идущие в недрах земли. Нагретые горячей магмой углеводороды вступают в реакции и образуют нефть. Возможно, здесь и таится секрет огромной теплотворной способности нефти. В 70-е годы прошлого века люди научились бурить очень глубоко и добурились до таких глубин, где никаких осадочных пород не могло быть в принципе. К удивлению ученых в недрах планеты, в совершенно неживом базальте, тоже обнаружилась нефть, причем в промышленных количествах – сотни миллионов тонн. Следы нефти обнаружены даже в образцах Кольской сверхглубокой скважины (11 км).

Слайд 24. Согласно органической теории на дне морей скапливаются останки погибших растений и микроорганизмов. Постепенно под действием тяжести и без доступа воздуха отложения начали изменяться и со временем превратились в нефть и газ. От того, какая теория победит, зависит то, где нам искать новые месторождения. Если нефть действительно образовалась из «мертвой рыбы», то искать ее надо на том месте, где когда-то давно был древний океан. Если же это «кровь земли», которая в некоторых местах поднимается близко к поверхности, то искать ее нужно в местах крупных разломов земной коры.

Слайд 25.

Пока здесь вышки, как бамбук, росли,
Мы вдруг познали истину простую:
Что мы нашли не нефть, а соль земли,
И раскусили эту соль земную.
В.Высоцкий

Группа журналистов.

Слайд 26. Каждый день в различных котлах и моторах сжигается около 80 млн. баррелей нефти – ценнейшего невозобновляемого природного богатства земли. Как бы не были велики запасы ее в отдельных странах – например, Кувейте, Ираке и др. – потребности в ней столь огромны и так быстро растут, что по расчетам экспертов через 30-40 лет нынешняя расточительная цивилизация окажется у разбитого корыта. За это время численность населения Земли увеличится еще на три миллиарда, в несколько раз повысится потребление энергии в Китае, Индии и других странах. Если для производства электроэнергии все шире будут использоваться гидроресурсы, каменный уголь, атомная энергия, сила ветра, то для разных видов транспорта (морских и речных судов, самолетов, автомобилей, тракторов) пока нет альтернативных источников энергии, кроме продуктов нефтеперегонки. Сжиженный природный газ и спирты не могут в силу их более низкой энергоемкости стать полноценной заменой нефти.

Слайд 27. Россия занимает 1-е место в мире по запасам природного газа, 3-е – по запасам каменного угля, 7-е – по запасам нефти.

Слайд 28. Статистические данные говорят о том, что доля России в мировой добыче нефти больше, чем в переработке. По оценкам экспертов при нынешних темпах добычи нам может хватить нефти только на 20 лет.

Слайд 29. Если по добыче нефти наша страна занимает второе место в мире, то по потреблению - четвертое.

Результаты независимого журналистского расследования позволили нам установить, что часть нефти идет на экспорт. Россия занимает второе место в мире (после Саудовской Аравии) по экспорту сырой нефти, вывозя ежедневно 5,4 млн. баррелей (1 баррель равен 158,983 л). Государство вынуждено продавать нефть. Это важная статья формирования бюджета страны. Торговля полезными ископаемыми приносит стране прибыль, используемую государством в различных целях, в том числе и на приобретение в период экономического кризиса продовольственных и промышленных товаров.

Нефть – наше национальное богатство, важное стратегическое сырье, необходимо бережно, экономно к нему относиться.

Учитель: Благодарю всех участников конференции за плодотворную работу!

Сегодня мы выяснили, что углеводороды – наши незаменимые помощники. Они определяют экономический потенциал и мощь отдельных стран, они дают жизнь несметной армаде автомобилей, тракторов, самолетов, ракет. Они являются источниками энергии и химического сырья. Нефть называют «черным золотом», но такое сравнение снижает ее истинную ценность. Без золота можно прожить: в промышленности или приборостроении его можно заменить другими металлами. А без нефти в настоящее время не обходится ни одна страна. Человеку есть над чем задуматься. Мы должны сохранить нашу планету Земля во всей ее красе и в то же время не закрыть кладовую ее ресурсов.

Слайд 30.

Полуотравленная газом,
По нефтяным болотам вплавь,
Куда ты рвешься? Где твой разум?
Взгляни в себя разумным глазом
Нельзя же все богатства разом -
Чуть-чуть грядущему оставь.
М.Дудин

Ресурсы:

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Газ
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Нефть
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Уголь
4. http://ru.kubanovedenie.ru/ neftyanaya-promyshlennost-krasnodarskogo-kraya
5. Новошинский И.И, Новошинская Н.С. Органическая химия. 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. М.: Русское слово, 2009
6. Химия. Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений (профильный уровень). Под редакцией проф. Н.Е. Кузнецова. М.: Вентана-Граф, 2007
7. Большая серия знаний. Химия./ Коллектив авторов.- М.: ООО «ТД «Издательство Мир книги» «Русское энциклопедическое товарищество», 2006
8. Социально-экономическая география мира. Справочное пособие (карты, диаграммы, графики, таблицы) под редакцией В.Н. Холиной. М.: Дрофа, 2008
9. Терская И.А., Терский А.В., Терский Д.А. География Краснодарского края. Природа. Экономика. Учебник для 8-9 классов общеобразовательных учреждений. Краснодар, 2004