Вторичная переработка материалов – путь сохранения сырья и энергии (Элективный курс)

Преподавание химии в условиях внедрения федеральных государственных образовательных стандартов общего образования (ФГОС) ставит главной задачей развитие личности ученика, подготовку его к адаптации в быстро меняющемся мире. Поэтому кроме изучения содержания предмета, ставится задачи развития личностных качеств (осознание ценностей химических знания, как важнейшего компонента научной картины мира, развитие самостоятельности в приобретении новых знаний и практических умений) и метапредметных умений. Внеклассная работа по предмету предоставляет широкие возможности для достижения вышеназванных целей.

В связи с истощением природных ресурсов, острыми экологическими и энергетическими проблемами вопросы вторичной переработки материалов становятся все более актуальными. Предлагаемый элективный курс нацелен на ознакомление учащихся с этими важными проблемами.

В курсе показано, что решение практических, прикладных, связанных с нашей повседневной жизнью проблем невозможно без опоры на фундаментальные научные теории и законы. На первом занятии школьники знакомятся с вопросами важности вторичной переработки материалов и осознают ее необходимость. Далее под руководством учителя они систематизируют ранее полученные знания, получают новые сведения о материи и энергии, их свойствах, законах их существования и превращения, о способах разделения смесей и идентификации различных веществ, проводят практические работы и знакомятся со справочной литературой.

Такой подход к подаче учебного материала способствует формированию целостной системы знаний, реализует мировоззренческие, образовательные и воспитательные функции учебного процесса. Постановка проблемных вопросов, необходимость поиска информации, ее анализа, осмысления и представления одноклассникам способствует развитию и саморазвитию учащихся, формированию у них общеучебных навыков, культуры умственного труда. Выполнение практических работ и строгое следование правилам техники безопасности служит развитию политехнических умений и навыков.

Настоящий курс предусматривает различные формы организации деятельности учащихся: лекции, фронтальные беседы, семинары, решение расчетных задач, выполнение эксперимента, экскурсию, работа со справочной литературой, подготовка сообщений и выступления перед одноклассниками.

Курс также помогает в подготовке к ЕГЭ по разделам «Тепловой эффект химических реакций», «Правила работы в лаборатории. Лабораторная посуда и оборудование. Правила безопасности при работе с веществами», «Методы исследования объектов, изучаемых в химии», «Общие химические принципы химического производства. Промышленное получение веществ и охрана окружающей среды», «Основные методы синтеза высокомолекулярных соединений».

* * *

Что происходит с пустой пластиковой бутылкой от минеральной воды? Может быть, ты будешь носить ее как одежду. Современные технологии позволяют превращать бутылки из полиэтилентерефталата в полиэстер – волокна, которые входят в ткань и футболок и модных пиджаков. Но более вероятно, что бутылка будет сотни лет лежать на свалке, занимая место, или ее сожгут, и город почувствует не самый приятный запах.

 А вот алюминиевая банка почти точно будет переплавлена, и ты купишь новый напиток в баночке из алюминия «секонд хенд». Переработка алюминия сохраняет энергию и руду, уменьшает засоренность территории и загрязнение воздуха, уменьшает площадь свалок и экономически выгодна. Рассортированные по цвету, стеклянные бутылки перерабатываются довольно легко, экономически этот процесс очень выгоден.

Ты сдавал макулатуру? Как сложилась далее «судьба» твоих старых тетрадок, прочитанных газет и картонных коробок? Огромное количество бумаги перерабатывается ежегодно, что дает большую экономию энергии и сырья. Каждая тонна бумаги из макулатуры сберегает 17 деревьев, 4100 киловатт-часов электроэнергии (этого достаточно для среднего дома на полгода), 28 000 литров воды.

Успех и доходность современного процесса вторичной переработки материалов требует ответа на вопросы, которым будет посвящен наш курс:

- Как материалы могут быть идентифицированы?

- Как разделять смеси перед переработкой?

- Как измерить энергию, чтобы определить, выгоден ли процесс?

- Почему некоторые материалы перерабатывать выгоднее, чем другие?

Мы увидим, что вторичная переработка, как любой другой процесс, есть взаимодействие материи и энергии.

Что такое материя? Что общего у звезд, воздуха, шоколадки, пластиковой бутылки? Это все образцы материи, то, из чего состоит Вселенная, являющаяся нам в бесконечном многообразии форм. Материя обладает массой и объемом, которые могут быть измерены с разной степенью точности: есть весы бытовые, технические, аналитические (их точность- 0,0001 грамма).

Различным видам материи присущи различные свойства:

По физическим свойствам можно идентифицировать вещества. Это особенно важно перед вторичной переработкой, так как методы переработки разных веществ различны. Ознакомимся с химическим справочником, который содержит информацию о различных веществах и их свойствах. Посмотрим раздел посвященный серебру: Какова его атомная масса? Каково его распространение в земной коре? В виде каких изотопов оно существует? Какие основные руды? Каковы его физические свойства (заполните таблицу, добавьте новые графы) Какова его кристаллическая решетка? Каковы его химические свойства (составьте уравнения)

Задание 1: Используя такой или подобный справочник, заполните соответствующие таблицы для данных вам веществ, укажите библиографические данные вашего справочника, чтобы ваши одноклассники тоже могли им воспользоваться.

Задание 2: У вас имеется металлический контейнер, который кажется вам алюминиевым. Как доказать, из какого металла он сделан? Как определить объем твердого тела неправильной формы для определения его плотности? (Вспомните Архимеда!)

Задание 3: Две жидкости А и Б не имеют цвета и запаха, не проводят ток и горючи. Плотность жидкости А 0,97 г/мл, плотность жидкости Б 0,89 г/мл. Являются ли эти жидкости одним и тем же веществом? Почему измерения важнее описания свойств вещества?

Связь энергии и материи. Химические реакции заключаются в разрушении молекул, перегруппировке атомов, образовании новых молекул. Все эти стадии связаны с выделением или поглощением энергии. Изменение агрегатного состояния, т.е. физических свойств, тоже сопровождается энергетическими эффектами.

Что же такое энергия? Это способность совершать работу, способность к движению и изменению состояния.

Кинетическая энергия –это энергия движения, вид энергии, которым обладает только движущийся объект. Величина кинетической энергии зависит от массы объекта и его скорости: Е=1/2mv². Кинетическая энергия бегущего со скоростью 28 м/сек леопарда 24000 Дж. Подсчитаем кинетическую энергию молекулы кислорода в нашей классной комнате. При комнатной температуре и нормальном давлении молекулы кислорода двигаются со скоростью примерно 400 м/сек, а их масса 5,3.10^–26 кг. Таким образом: Е=1/2(5,3.10^–26 кг х400 м/сек)=4,2 .10^–21 Дж. Из-за малой массы молекулы обладают малой кинетической энергией.

Потенциальная энергия – это «запасенная» энергия, которой объект обладает благодаря его положению, это его потенциал, способность двигаться, изменяться. При рассмотрении строения вещества нужно учитывать внутреннюю энергию как сумму всех видов энергии внутри вещества. Сюда входят потенциальная энергия, связанная с силами между атомами и молекулами, и кинетическая энергия их движения.

Различные формы энергии могут переходить друг в друга. Так гидроэлектростанции преобразуют потенциальную энергию поднятой на определенную высоту воды в кинетическую энергию падающей воды и, наконец, в электроэнергию.

Задания: 1). Определите кинетическую энергию шара массой 4,55 кг, катящегося со скоростью 3,2 м/сек. 2) Приведите примеры превращения энергии, с которыми вы столкнулись сегодня. 3). Покажите, что объект с массой 8 кг может иметь такую же кинетическую энергию, как и объект массой 32 кг. 4) Объясните, почему скейтборд, стоящий на земле, обладает энергией. Увеличится ли его энергия, когда он покатится?

Энергия не может быть создана или уничтожена, она лишь переходит из одного вида в другой. Это закон сохранения энергии.

Задания: 1) Какой еще закон сохранения вы знаете? 2) Лыжник спускается с горы. Какими видами энергии он обладает? 3) Если стрела в натянутом луке имеет 40 Дж потенциальной энергии, какой будет кинетическая энергия ее полета? 4) Заводы по вторичной переработке сжигают некоторые неперерабатываемые материалы. Они используют полученное тепло для получения электричества для собственных нужд или продают его. Какие превращения энергии происходят?

Вторичная переработка и энергетические затраты. Перед переработкой стеклянных бутылок их измельчают, расплавляют и расплав заливают в новые формы, где он затвердевает. Процесс получения стекла является химическим процессом, так как включает в себя превращение сырья в стекло. Вторичная же переработка стекла – серия физических процессов (Перечислите их). Новые стеклянные изделия имеют тот же состав, что и подвергшиеся переработке. Каковы же энергетические затраты?

Чтобы расплавить 1 грамм льда необходимо 333 Дж энергии. На что она расходуется? Чтобы твердое тело расплавилось надо, чтобы его частицы преодолели силы взаимного притяжения и удалились друг от друга, чтобы скорость их движения стала выше. При нагревании тела получают тепловую энергию, которая превращается в кинетическую энергию движения частиц. Кипение 1 грамма полученной воды требует уже 2260 Дж энергии, которая требуется частицам, чтобы полностью «освободиться» друг от друга. Кипение и плавление называют эндотермическими процессами, так как при этом энергия поглощается. Оба эти процесса увеличивают внутреннюю энергию молекул. Когда же газы конденсируются или жидкости замерзают, то энергия выделяется в виде тепла. Такие процессы называют экзотермическими. Понятия экзо- и эндотермических процессов относится не только к химическим реакциям. Это общенаучный термин.

При химических реакциях разрушение молекул требует затрат энергии, это эндотермический процесс, образование же новых связей сопровождается выделением энергии. От соотношения величин этих энергий зависит, будет ли реакция в целом экзо- или эндотермической. Существуют справочники, в которых приводятся энергии различных связей и энергии образования различных сложных веществ из простых (Единицы измерения – кДж/моль). Познакомимся с подобным справочником: Лед или вода имеют большую внутреннюю энергию? Некоторые вещества (твердый углекислый газ – «сухой лед» и йод) переходят из твердого состояния в газообразное минуя жидкое. Этот переход называется «сублимация». Это экзо- или эндотермический процесс? Экзо - или эндотермический процесс испарения воды, конденсации водяного пара, остывания воды в ванной, потение?

Гомогенные и гетерогенные смеси. Материалы, подвергаемые вторичной переработке, как правило, смеси. Свойства их не постоянны, так как зависят от состава компонентов. Поэтому в справочниках приводят свойства только чистых индивидуальных веществ. Исключения составляют некоторые сплавы с точным составом. Например, стопроцентное золото очень мягкий металл и не может использоваться в ювелирных украшениях. Золото 58 пробы – это сплав золота и серебра, меди и никеля в строгих пропорциях.

Задание: Найдите в справочниках другие примеры сплавов с указанием их состава, свойств и областей применения.

Смеси делят на гомогенные, не имеющие границы раздела (морская вода, нефть, воздух) и гетерогенные, в которых вещества распределены не равномерно, между ними есть граница раздела, даже если внешне они выглядят равномерно, например молоко.Для характеристики смесей используют понятие фазы как компонента смеси с постоянным составом и свойствами.

Многие пластмассы представляют трудность для вторичной переработки именно потому, что они многофазны. Другая причина – химические реакции при плавлении. Такие материалы называют термореактивными. Пример – фенолформальдегидная пластмасса, из которой сделаны электрические розетки и вилки.

Задания: 1) Классифицируйте смеси: желе, зубная паста, цемент, сливочное масло, подсолнечное масло, медная монета, чернила, чай, кровь, воздух. 2) Справедливо ли утверждение: а) В растворе не видны его компоненты; б) раствор – однофазная система. 3) Почему свойства алюминия всегда постоянны, а свойства стекла нет? 4) Почему алюминий и стекло надо рассортировать до их переработки?

Способы разделения смесей.

Задание 1: Ознакомьтесь по справочникам с различными методами разделения смесей и ответьте на вопросы, составив таблицу:

Задание 2: 1) Может ли оксид железа быть разделен на железо и кислород хроматографически? 2) Как сделать морскую воду пригодной для питья? 3) Ученик оставил маркер в тетради, не закрыв его колпачком. Когда он вернулся, на странице была радуга цветов. Является ли чернила маркера чистым веществом или смесью? Какой метод разделения наблюдал ученик? Повторите его опыт, только не в рабочей тетради!

Практические работы

При выполнении практических работ необходимо соблюдать технику безопасности!!! 1) Перечислите правила поведения в химической лаборатории, 2) Перечислите приемы оказания первой медицинской помощи, 3) Не забудьте убрать свое рабочее место.

Маркировка пластмассовых изделий. Изделия из пластмассы имеют цифровые коды, которые говорят о возможности вторичной переработки данного материала:

Образцы с маркировкой 3, 4 , 5 не перерабатывают вторично!

Заключение

В нашем курсе вы узнали, как фундаментальные научные понятия материи и энергии можно применить к конкретному практическому делу – вторичной переработке материалов. Теперь мы можем ответить на поставленные во введении вопросы.

Как материалы могут быть идентифицированы? Это возможно путем определения плотности или другого физического свойства и сравнения полученный данных с табличными. Пластики могут быть идентифицированы по кодам.

Как разделять смеси перед переработкой? Существует много методов, но наиболее рационально было бы использовать различные мусорные контейнеры для различных материалов.

Как измерить энергию, чтобы определить, выгоден ли процесс? Энергию надо использовать рационально, переводя из одной формы в другую, опираясь на закон сохранения энергии. Энергия, затраченная на первичное получение материала, всегда больше той, что тратится при вторичной переработке.

Почему некоторые материалы перерабатывать выгоднее, чем другие? Алюминий и стекло перерабатываются легче, потому что они плавятся и затвердевают без изменения их химического состава. А пластики часто смеси, которые невозможно разделить, либо они вступают в химические реакции при нагревании, что приводит к изменению состава.

Литература

1. Химическая энциклопедия - М: «Советская энциклопедия», 1983.
2. Химический энциклопедический словарь. - М: «Энциклопедия», 2003.
3. Голдмен А. Иллюстрированный химический словарь. - М: «Мир» 1988.
4. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. – М: «Химия», 1979.
5. Альбицкая В.М. и др. Лабораторные работы по органической химии. - М: «Высшая школа», 1982.
6. Тагер А.А. Физико-химия полимеров. – М.: Научный мир, 2007.
7. Лисичкин Г.В., Бетанели В.И. Химики изобретают- М: «Просвещение», 1990.
8. Леенсон И.А. Занимательная химия. - М: «Дрофа», 1996, 1 и 2 тома.
9. Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас. - М: «Высшая школа» 1992.
10. Соломон З.Г. Волокна из нефти и газа. - М: «Просвещение», 1978.
11. Гуль В.Е. Полимеры сохраняют продукты. - М:«Знание», 1985.
12. Савич Е.З. и др. Изучение закономерностей химических реакций. - М: «Просвещение», 1991.
13. AP Chemistry. Course and Exam Description. - New York, 2013.
14. Федеральный государственный стандарт основного общего образования. https://fgos.ru/.