Преподавание химии

Урок-семинар по теме Природные источники углеводородов

"Ни один сосуд не вмещает больше своего объема,
кроме сосуда знаний, он постоянно расширяется".
Арабская пословица.

Цели урока: обобщить и систематизировать знания учащихся о составе, технологии, переработке и применении нефти, природного газа и каменного угля, продолжить формирование системы знаний о современном химическом производстве, охране окружающей среды, вырабатывать умения коллективного учебного труда, формировать патриотические чувства учащихся, расширять политехнический кругозор учащихся, развивать умения переноса знаний об общих закономерностях в конкретную ситуацию, формировать умения анализировать аргументировано излагать свою точку зрения, вести дискуссию: "Ректификационная колонка".

Оборудование: Таблица "Применение нефти", коллекция "Нефть", "Каменный уголь".

Оборудование к лабораторной работе: 2 пробирки с различной нефтью, раствор KMnO_{4 ,}

Интерактивная доска: ресурсы: состав нефти, природного газа, попутного нефтяного газа; опорные конспекты, задания для индивидуальной работы.

План урока.

1. Организационный момент.
2. Каменный уголь: нахождение в природе, состав и значение.
3. Обобщение по теме урока.
4. Выводы.

Ход урока

I. Организационный момент урока - 1 мин.

Сообщение целей и задач урока, плана урока. В начале урока учащимся предлагается заполнить таблицу:

II. На интерактивной доске показать учащимся таблицы состава нефти, природного и попутного газа, каменного угля; на столах разложить коллекции газа, каменного угля и нефти.

Учитель: Ассирийцы, древние китайцы и греки о происхождении природных источников углеводородов не задумывались. Лишь в XVIII веке ученые начали строить предположения, откуда же взялось столь ценное сырье. Автором биогенной (органической) гипотезы является М.В. Ломоносов - природные источники УВ образовались из останков мертвых организмов и буйной растительности, некогда покрывавшей планету. Параллельно развивалась минеральная (неорганическая) теория Д.И.Менделеева. ее суть в том, что природные газы и нефть - это продукты химических реакций, которые идут на большой глубине, там происходит взаимодействие воды с карбидами металлов, в результате чего образующиеся УВ через трещины выдавливаются ближе к поверхности.

На протяжении последующих двух веков ученые разрабатывали и проверяли обе гипотезы. Доказано, что газ и нефть может образовываться и тем и другим способом, так как сегодня ее добывают не только в осадочных породах, но и в гранитных породах, что никак не стыкуется с биогенной теорией, зато хорошо объясняется минеральной теорией (н-р, гигантское месторождение "Белый тигр" во Вьетнаме). И таких примеров выявилось очень много. Были вовсе сенсационные наблюдения: оказалось, что во многих давно открытых месторождениях добыть 150 % сырья от ранее подсчитанных запасов, и оно все не кончается. Подпитка нефтью и газом идет с глубин, ведь непроницаемых пород в природе не существует. Такие месторождения есть в Карпатах, Грузии, Азербайджане, Южной Африке, на старых промыслах Грозного.

Так кто был прав, Ломоносов или Менделеев? "Природу нельзя ограничивать, углеводороды могут образовываться и тем и другим способом" - уверен академик А. Дмитревский (директор института проблем нефти и газа РАН).

Доктор геолого-минералогических наук Вадим Скарятин предлагает изменить стратегию добычи нефти на основании научных расчетов: снижать темпы выкачивания сырья, учитывать скорость притока нефти, консервировать на время скважины. Тогда Земля подарит нам намного больше своего газа и "черного золота".

Учитель: Какие основные источники УВ мы знаем? (Анализируем таблицы).

Учитель: Природные горючие газы - это смеси газообразных УВ различного строения, заполняющие пустоты в горных породах, почве, растворенными в нефти и пластовых водах.

Нефтяные попутные газы - смеси УВ, сопутствующие нефти и растворенные в ней при повышенном давлении. При подъеме нефти на поверхность выделяются из нее первыми вследствии снижения давления.

Состав их различен.

Сообщение ученика на основе заполненной таблицы - состав природного и попутного нефтяного газа.

Опорный конспект "Применение и состав природного газа, попутного нефтяного газа".

Вывод: Попутные нефтяные газы содержат больше различных гомологов метана, чем природные, поэтому это ценное органическое сырье.

Учитель: Задание классу: Составить как можно больше химических реакций, демонстрирующих, что природный газ и попутный нефтяной газ - бесценное сырье для органического синтеза.

Ученики отвечают, составляя уравнения химических реакций у доски, дополняют с места ответы.

Учитель: Запасы природного газа в России составляют 120тыс млрд м³ . 90 % добываемых УВ используют как топливо, лишь 10 % - как сырье. Из метана и его гомологов получают Н₂, саксу, ацетилен, этилен, бутадиен, бензол, углеводороды изостроения. Предлагаю вам вспомнить технологическое задание по вариантам.

I вариант: Найдите молекулярную формулу углеводорода, массовая доля водорода в котором 25 %, относительная плотность по кислороду 0,5. (Ответ: СН₄ ).

II вариант: Найдите молекулярную формулу УВ, массовая доля углерода в котором составляет 81,8 %. Относительная плотность вещества по азоту равна 1,57. (Ответ: С₃Н₈ ).

Проверка выполнения задания - самопроверка учащихся с интерактивной доски.

Учитель: Нефть. Вероятно, трудно найти среди народов Земли слово более понятное и емкое, чем это. За ним стоит мир машин и вещей, окружающих нас, энергетическая база страны, надежда на лучшее будущее.

Наметились три основных направления использования нефти: получение энергетического сырья, получение материалов с заданными свойствами, производство химических и фармацевтических продуктов.

Все источники УВ имеют огромное значение, но наибольшее имеет нефть, так как она представляет смесь жидких, твердых и газообразных УВ с молекулярным составом от С₁ - С₆О. В составе нефти до 100 химических соединений. Познакомимся с составом нефти и историей развития нефтяной индустрии.

Ученик: Соотношение парафинов, циклопарафинов и аренов в нефтях разных месторождений различные. (Демонстрация нефти).

Например, Бакинская нефть - циклоалканами, нефть Западной Сибири и Урала, Мангышлака - алканами.

В небольшом количестве в нефти содержатся сера, которая оказывает негативное воздействие на качество горючего, поэтому нефть обязательно очищают от серы. Также входят азот, но он не снижает качества нефти, а кислород, который входит в состав фенолов, кислот, кетонов, снижает октановое число бензинов, поэтому нефтепереработчикам приходится избавляться от кислородсодержащих органических веществ.

Нефть - это маслянистая горючая жидкость обычно темного цвета от коричневого до черного, легче воды (плотность от 0,73 - 0,97 г/см³), в воде не растворяется (1л нефти загрязняет 400 000л воды), не имеет постоянной температуры кипения, так как представляет собой смесь УВ.

В своем развитии нефтяная индустрия прошла большой путь. В 1900г добыча нефти во всем мире составляла около 20 млн т., через 20 лет - 27 млн тонн, в 1928г - 200 млн тонн, в 2000году только в России - 270 млрд тонн.

При возрастающих масштабах использования нефтепродуктов в качестве топлива большое значение приобрела охрана окружающей среды от продуктов ее сгорания и разливов нефти.

Количество поступающей за год в Мировой океан нефти оценивается в 5-10 млн тонн. Подсчитано, что 200000тонн нефти достаточно, чтобы превратить Балтийское море в биологическую пустыню.

Нефть и нефтепродукты поступают в океан при разведке и добыче нефти, при аварии судов и сливе балластовых вод танкеров. Нефтяная пленка покрывает морскую поверхность и весь планктон, животный и растительный мир погибает, нарушается обмен теплоты, влаги, газов, нарушается биологическое равновесие водоемов.

Учитель: А теперь, зная состав нефти, мы можем рассмотреть, какие составляющие фракции получают из нефти, подвергая ее, как и природный газ фракционной перегонке в ректификационных колонках.

Далее следует сообщение ученика об устройстве трубчатой печи для нагревания нефти и ректификационной колонки и основных фракциях нефти с опорой на таблицу. Перегонка основана на различии в температуре кипения УВ с различной молекулярной массой.

Продукты, получаемые в результате первичной переработки нефти, ученики записывают в таблицу, а учащийся продолжает сообщение, рассказывая о применении фракций нефтепродуктов.

Таблица.

В печи после отгонки из нефти светлых нефтепродуктов остается черная жидкость: мазут и твердый остаток перегонки нефти - асфальт. Он представляет ценную смесь большого количества высокомолекулярных УВ из мазута путем перегонки получают смазочные масла (С₁₆ - С₂₈ ), вазелин, гудрон (темп. примерно 350 градусов, давление пониженное, чтобы не происходили реакции крекинга).

Вывод: выход бензина в условиях первичной переработки нефти 20 %, а потребность в нем и горюче-смазочных материалах огромна. Как можно увеличить выход этих фракций?

Далее следует сообщение ученика о крекинге нефтепродуктов с опорой на конспект.

Увеличить выход бензина из нефти можно с помощью крекинга - разложение УВ, вторичная переработка нефти.

Вывод: крекинг бензина содержит много непредельных УВ. Такой бензин неустойчив при хранении, т.к. легко образуются высокомолекулярные смолы в результате полимеризации, бензин каталитического крекинга более устойчив при хранении и имеет большое октановое число, т.к. в нем меньше непредельных УВ, большое количество разветленных УВ. Для увеличения детанационной стойкости бензина и увеличения октанового числа бензина применяют риформинг (ароматизацию) - это переработка бензиновых и лигроиновых фракций нефти для получения автомобильных бензинов, процесс превращения парафинов и циклопарафинов в ароматические УВ, вследствие чего повышается октановое число бензинов.

Технологическое задание: исследуйте содержание непредельных УВ в бензине (к 1мл бензина прилейте 1мл слабо-розового р-ра КMnO₄ ). Сделайте вывод о содержании в бензине непредельных УВ, какими свойствами обладает крекинг-бензин, как улучшить его качество и условия хранения?

Покажите с помощью химических реакций, какие важнейшие химические продукты можно получить на основе веществ, входящих в состав нефти. Назовите эти вещества:

Учитель: Запасы каменного угля в мире составляют 20-25 млрд тонн. В каменном угле содержатся разнообразные твердые углеводороды, а также высокомолекулярные соединения, содержащие С, Н, О, N, S. Каменный уголь при нагревании до 1000 градусов в специальной коксовой печи подвергается термическому разложению (крекингу), в результате чего образуется: а) твердый остаток - кокс; б) каменноугольная смола, состоящая из бензола и его гомологов, нафталина; в) аммиачная вода; г) коксовый газ, содержащий СН₄, Н₂, СО.

Далее следует сообщение учащегося "Устройство коксовой печи и принцип производства". На интерактивной доске в это время следующая схема: "Продукты коксования и их применение".

Основными недостатками коксохимического производства - это периодичность и длительность процесса, использование мощных систем защиты окружающей среды от вредных веществ. Например, при загрузке шихты и выдаче 1т кокса выбрасывается: 0,75 кг пыли, 0,55кг сероводорода, 0,07кг аммиака, 0,0004кг цианидов, 0,13кг фенола, 0,16кг ароматических углеводородов.

Учитель: Углехимия - это перспективная область получения жидкого синтетического топлива - высокооктанового бензина, дизельного и котельного топлива. Для его получения из угля, необходимо увеличить в нем содержание водорода путем гидрирования. Реакцию гидрирования проводят, используя многократную циркуляцию, которая позволяет превратить в жидкость и газы всю органическую массу угля. Газификация угля позволит использовать низкокачественный бурый и каменный уголь на теплоэлектростанциях, получения концентрированного угарного газа (СО).

III. Обобщение по теме урока - таблица..

Учитель: Вернемся к заданию, которое получили в начале урока.

Назовем важнейшие источники природных УВ.

Сравним состав попутного и природного газа, нефти и каменного угля.

Назовем основные направления использования природного газа, попутного нефтяного газа, нефти и каменного угля.

Назовем важнейшие продукты, полученные из природных источников углеводородов.

Закрепите знания, полученные на уроке в ходе выполнения тестовой работы.

ТЕСТ "Природные источники УВ".

1 вариант: 1. Основными компонентами природного газа являются:

а) СН₄ б) СН₄ и гомологи до С₅Н₁₂ в) СН₄ гомологи до С₅Н₁₂ нефтегазовые примеси.

2. Природные источники УВ: а) нефть б) природный и попутный нефтяной газ в) природный и попутный нефтяной газ, кокс, нефть.

3. В основе разделения природных источников углеводородов находятся различные: а)t плав. б) t кип.

4. Какая из реакций отражает крекинг нефтепродукции: а) С₄Н₁₀ = С₄Н₈ + Н₂ б) С₆Н₁₂ + Н₂ = С₆Н₁₄ в) С₂₀Н₄₂ = С₁₀Н₂₂ + С₁₀Н_20.

5. Основные направления использования природного и попутного нефтяного газа: а) важнейшее сырье б) топливо в) сырье и топливо.

6. Перечислить фракции, выделенные из нефти до t до 300С.

___________________________________________________________________________________

2 вариант:

1. Основными компонентами попутного газа являются: а) метан б) СН_4,С₂Н_4, С₃Н_8, С₄Н_10, С₅Н_12, С₆Н₁₄ в) СН₄ и его гомологи и неорганические примеси.

2. Нефть - это: а) жидкие УВ б) газообразные УВ в) смесь жидких, газообразных, твердых УВ.

3. В основе разделения нефти на фракции находятся различные: а)t плав. б) t кип.

4. Какая из реакций отражает крекинг нефтепродукции: а) С₄Н₈ + Н₂О= С₄Н₉ОН б) С₄₀Н₈₂ = С₂₀Н₄₂ + С₂₀Н₄₀ в) С₆Н₆ + 3Н₂ = С₆Н₁₂

5. Основные направления использования нефти: а) сырье и топливо б) сырье в) топливо.

6. Перечислить фракции, выделенные из нефти при t больше 300С.

___________________________________________________________________________________

Ответы:

1 вариант: 1в, 2в, 3б, 4в, 5в, 6 - бензин, лигроин, керосин, газойль.

2 вариант: 1в, 2в, 3б, 4б, 5а, 6 - мазут, смазочные масла, нефтяной пек (гудрон, вазелин, твердые парафины).

Далее следует самопроверка с интерактивной доски.

IV. Выводы по уроку.

Учитель: Нефть, газ, каменный уголь - это не только топливо, но и важнейшее химическое сырье. В недалеком будущем им будет найдена замена в топливо-энергетическом комплексе страны (ядерная энергия, энергия солнца, ветра, использование Н₂).

Сокращение использования нефти и газа в теплоэнергетике - путь не только к более рациональному ее применению, но и сохранение этого сырья для будущих поколений. УВ сырье должно использоваться только в перерабатывающей промышленности для получения разнообразной продукции. К сожалению, ситуация пока не меняется и 90% добываемой нефти и газа служит топливом.

Поэтому домашнее задание предлагается выполнить в виде творческой работы: "Использование природных источников УВ в органическом синтезе".

Приложение.