разработка урока химии в 10 классе по теме: "Нефть"

Урок по теме "Нефть. Состав и переработка нефти. Нефтепродукты"

Цели и задачи урока:

Познакомить учащихся с нефтью как естественноисторическим телом, гипотезами происхождения нефти,  составом и свойствами.

Углубить и расширить представления школьников о природных источниках нефтехимического сырья, доказать, что нефть – ценный источник углеводородов.

Формировать умения самостоятельно работать с новыми источниками информации: анализировать, систематизировать, классифицировать, отбирать требуемую информацию.

Развивать творческие и аналитические способности учащихся, умение аргументировать собственное мнение.

Формировать умение работать в группах.

Воспитывать чувство “локтя”, ответственности, взаимопомощи и взаимоподдержки.

Поддерживать познавательный интерес к предмету.

Оборудование: банка с нефтью, стакан с водой, 4 пробирки с нефтью,  коллекции «Нефть и нефтепродукты», презентация,  мультимедийное оборудование.

ХОД УРОКА

I.                    Подведение к теме

Слайд  № 1

Здравствуйте ребята! Сегодня перед нами стоит задача познакомиться с нефтью, её составом, свойствами и способами переработки. В ходе нашего урока хотелось бы также получить ответы на такие важные в наше время вопросы, как:

1)     Почему запасы углеводородного сырья определяют экономический потенциал и мощь страны, а по уровню их переработки можно судить об уровне цивилизации общества?

2)     Почему в нашей обыденной жизни мы тоже зависим от этой невзрачной на вид жидкости (демонстрирую  нефть)?

Одним словом, почему нефть так важна для человека, и среди полезных ископаемых нефть называют «королевой энергетики», именуют её «чёрным золотом»?

            Ответить на все эти вопросы нам поможет сегодняшний урок.

Эпиграфом к уроку будет высказывание Зелинского   Слайд № 2

II.                 Изучение нового материала

Начнем с истории…

Исторические сведения

            Нефть известна человечеству с давних времен. Как показали археологические раскопки, на берегу Евфрата она добывалась 6-7 тыс. лет до н. э.  Нефть использовалась  для освещения жилищ, добавлялась в состав  для бальзамирования трупов.

Слайд № 3

            В Китае бурение было известно ещё в XVIII в. до нашей эры. Для ее добычи строились нефтяные колодцы. Китайцы употребляли нефть для освещения, как лекарство и в военных целях. Китайские воины из “огненных повозок” бросали горшки с горящей нефтью в ряды врагов.

Слайд № 4

            В VII веке н. э. Византийцы создали так называемый “греческий огонь”. В одном из многочисленных рецептов, которые греки хранили в глубочайшей тайне, написано "Возьми чистую серу, нефть, винный камень, смолу, поваренную соль, деревянное масло; хорошенько провари все вместе, пропитай этим составом паклю и подожги. Такой огонь можно погасить только песком или винным уксусом". В средние века она использовалась главным образом для освещения улиц. В ХV веке в Париже появились первые асфальтированные улицы. Главное, нефть стали использовать для керосиновых ламп, для заделывания щелей и смоления судов

            Несмотря на то, что, начиная с 18 века, предпринимались отдельные попытки очищать нефть, она использовалась почти до 2-ой половины 19 века в натуральном виде. В  этот период  в связи с ростом промышленности и появлением паровых машин стал возрастать спрос на нефть как источник смазочных веществ. Это привело к бурному развитию добычи нефти и способов ее переработки.

            Первые нефтяные компании перевозили нефть в винных бочках, баррелях, вместимостью 48 галлонов или 180 литров. Потом стали наливать по 42 галлона, или 159 литров. В коммерции баррель (42 галлона) до сих пор служит для измерения количества нефти.

Что известно о происхождении нефти? Слайд № 5

Происхождение нефти

            Происхождение нефти является одной из тайн природы. Спор об этом относится к числу “великих геологических споров”, еще не завершенных.

            Существует 2 теории происхождения нефти: неорганическая теория и органическая теория.

            Предложение о неорганическом происхождении нефти выдвинул в 1876 г. Д.И. Менделеев. Он считал, что вода, попадающая в недра Земли по трещинам-разломам в земной коре, под действием высоких температур и давлений реагирует с карбидом железа, образуя углеводороды, которые поднимаются по трещинам породы, скапливаясь в пустотах – ловушках.

            Основы биогенной теории происхождения нефти в нашей стране заложили академики В.И. Вернадский и И. М. Губкин. Согласно этой теории нефть образовалась из остатков наземной растительности, которые сносились реками в водоёмы, и морского зоо- и фитопланктона. Один из существенных доводов в пользу этой точки зрения наличие в составе нефти спор и пыльцы растений, а также азотсодержащих органических соединений, вероятно, ведущих своё происхождение из хлорофилла растений и гемоглобина животных.

            Вопрос о происхождении нефти имеет не только теоретическое значение. Он прямо связан с проблемой исчерпаемости ресурсов природных источников углеводородов. Согласно биогенной теории запасы нефти образовались в ранние геологические эпохи, и сейчас, сжигая углеводородное топливо, человечество необратимо тратит ту энергию, которую запасли доисторическое живые организмы. Если же нефть постоянно образуется в глубинах Земли, то бурение глубоких скважин позволит найти практически неисчерпаемые запасы. Окончательное решение этого вопроса учёным ещё предстоит найти, хотя на сегодняшний день все-таки наиболее доказанной считается теория биогенного происхождения нефти.

Месторождения нефти

            Нефтегазоносных бассейнов разведано больше 600, разрабатывается 450, а общее число нефтяных месторождений достигает 50 тысяч. Слайд № 6

            Различают легкую и тяжелую нефть. Легкую нефть извлекают из недр насосами или фонтанным способом. Из такой нефти делают в основном бензин и керосин. Тяжелые сорта нефти иногда добывают даже шахтным способом (в Республике Коми), и готовят из нее битум, мазут, различные масла.

            Нефть наиболее универсальное топливо, высококалорийное. Её добыча отличается относительной простотой и дешевизной, ведь при добыче нефти нет необходимости опускать под землю людей. Транспортировка нефти по трубопроводам не представляет большой проблемы. Главный недостаток этого вида топлива – невысокая ресурсообеспеченность (около 50 лет). Общегеологические запасы равны 500 млрд. тонн, в том числе разведанные 150 млрд. тонн.

            Основные запасы нефти находятся в северном полушарии. Всего 75 стран мира добывают нефть, но 90% её добычи приходится на долю всего 10 стран. Слайд № 7

            Главные страны производители: 

   Саудовская Аравия, США, Россия, Иран, Мексика. Слайд № 8

            В то же время больше 4/5 потребления нефти приходится на долю экономически развитых стран, которые являются главными страны-импортеры:

Япония, Зарубежная Европа, США.

А теперь познакомимся с этим веществом поближе. Группы учащихся получают информацию для ознакомления и делают сообщения.

1 группа

Что такое нефть?

            Нефть – это “сгусток энергии”. С помощью лишь 1мл. её можно нагреть на один градус целое ведро воды, а для того чтобы вскипятить ведёрный самовар, нужно менее половины стакана нефти. По концентрации энергии в единице объёма нефть занимает первое место среди природных веществ. Даже радиоактивные руды не могут конкурировать с ней в этом отношении, так как содержание в них радиоактивных веществ настолько малы, что для извлечения 1мг. ядерного топлива надо переработать тонны горных пород.

            Нефть – это не только основа топливно-энергетического комплекса любого государства.

            Здесь к месту знаменитые слова Д. И. Менделеева “сжигать нефть – это то же, что топить печь ассигнациями”. В каждой капле нефти содержится более 900 различных химических соединений, более половины химических элементов Периодической системы. Это действительно чудо природы, основа нефтехимической промышленности. Примерно 90% всей добываемой нефти используется в качестве топлива. Несмотря на “свои 10%”, нефтехимический синтез обеспечивает получение многих тысяч органических соединений, которые удовлетворяют насущные потребности современного общества. Недаром люди уважительно называют нефть “чёрным золотом”, “кровью Земли”.

 Слайд № 9

            Нефть – горючая маслянистая  жидкость обычно темного цвета, иногда почти чёрного, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет, и даже бесцветная,  с резким своеобразным запахом, немного легче воды (плотность 0,73-0,97 г/см3), в воде нерастворима.

Слайд № 10

 Нефть – жидкость очень сложного состава, включающая в себя около 1000 различных веществ, большая часть которых – углеводороды (90%)и органические соединения, содержащие кислород, серу, азот и другие элементы. Остальные компоненты нефти включают воду, соли и механические примеси (глину, песок и т.д.) Обычно нефть содержит три вида углеводородов – парафины, циклопарафины (нафтены) и ароматические.

Слайд № 11

С чего начиналась переработка бензина? (Сообщение учащегося)

Слайд № 12

Немного из истории переработки нефти

            В 1840 г. губернатор г. Баку направил в санкт-петербургскую Академию наук несколько бочек с нефтью для изучения её промышленного использования и получил через некоторое время ответ: «Это вонючее вещество пригодно только для смазки колёс у телеги». Ответ характеризовал сотрудников академии с не лучшей стороны – в эти годы уже появились первые перегонные заводы в России (на Кавказе) и в Америке.

            Переработку нефти на Кавказе впервые начали братья Дубинины, крепостные из Владимирской губернии. Аппарат Дубининых был очень прост. В качестве топлива для перегонки нефти использовались дрова. Основной целью перегонки было получение керосина.  Из 30 вёдер нефти получали 16 вёдер керосина. Керосин широко применяли как топливо для керосиновых ламп, керогазов. Интересно, что остальную часть нефти обычно уничтожали сжиганием, она долгое время не находила применения. Однако с изобретением двигателя внутреннего сгорания именно эта фракция – бензин – оказалась едва ли не самым главным, самым ценным продуктом нефтепереработки.

            Современная нефтепереработка – это сложный комплекс производственных процессов, направленный на получение нефтепродуктов, а также сырья для нефтехимии и органического синтеза.

2 группа

Слайд № 13

ПЕРЕГОНКА НЕФТИ (первичная переработка)

            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.

            Перегонка основана на разнице температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти, т.е. перегонка – физический процесс, с углеводородами не происходят химические превращения.

            В  промышленности перегонку нефти осуществляют в установке, которая состоит из трубчатой печи и  ректификационной (разделительной)  колонны. В печи находится змеевик (трубопровод). По трубопроводу непрерывно подается нефть, где она нагревается до 350°С и в виде паров поступает в ректификационную колонну (стальной цилиндрический аппарат высотой 50 - 60 м). Внутри она имеет горизонтальные перегородки с отверстиями, так называемые тарелки. Пары нефти подаются в колонну и через отверстия поднимаются вверх, при этом они постепенно охлаждаются и сжижаются. Менее летучие углеводороды конденсируются уже на первых тарелках, образуя газойлевую фракцию. Более летучие углеводороды собираются выше и образуют  керосиновую фракцию, ещё выше собирается  лигроиновая фракция. Наиболее летучие углеводороды выходят в виде паров из колонны и сжижаются, образуя бензин. Часть бензина подается обратно в колонну для орошения поднимающихся паров. Это способствует охлаждению и конденсации соответствующих углеводородов. Жидкая часть нефти, поступающей в колонну, стекает по тарелкам вниз, образуя  мазут, представляющий собой ценную смесь большого количества тяжёлых углеводородов. Такая перегонка называется фракционной.

            Состав фракций и интервалы их температур кипения на разных заводах могут сильно различаться в зависимости от исходного состава нефти. И, кроме того, на современном производстве перегонка происходит не в одной, а последовательно в нескольких ректификационных колоннах. Это обусловлено экономическими соображениями (меньше затраты энергии) и необходимостью получить более чистые продукты.

            Главный недостаток такой перегонки ― малый выход бензина (не более 20 %).

Слайд № 14

 Задание классу

Ознакомление с основными продуктами нефтепереработки (конспектирование)

3 группа

Слайд № 15

КРЕКИНГ НЕФТЕПРОДУКТОВ ( вторичная переработка)

            Для получения высококачественных нефтепродуктов фракции нефти подвергают вторичной переработке, так как при прямой перегонке получается только 15-20 % бензина, остальное –  высококипящие продукты. Их  высокая температура кипения обусловлена тем, что молекулы таких углеводородов представляют собой слишком длинные цепи.  Процесс расщепления углеводородов нефти на более летучие вещества называется  крекингом (англ. to crack – колоть, расщеплять). Крекинг даёт возможность значительно повысить выход бензина из нефти. Впервые крекинг-процесс в России предложил в конце 19 века  инженер Владимир Григорьевич Шухов.

Слайд № 16

            Сущность крекинга заключается в том, что при нагревании происходит расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие, в том числе на молекулы, входящие в состав бензина. Обычно расщепление происходит примерно в центре углеродной цепи по С—С-связи, например:

С₁₆Н₃₄ → С₈Н₁₈ + С₈Н₁₆

Получившиеся вещества частично могут разлагаться далее, например:

С₈Н₁₈ → С₄Н₁₀ + С₄Н₈

С₄Н₁₀ → С₂Н₆ + С₂Н₄

            Такой процесс, осуществляемый при температуре около 470°С -550°С и небольшом давлении,   называется   термическим     крекингом. Этому процессу обычно подвергаются высококипящие нефтяные фракции, например мазут.

            Бензин, получаемый термическим крекингом, невысокого качества, не стоек при хранении, он легко окисляется, что обусловлено наличием в нём непредельных углеводородов.

            Более перспективен каталитический крекинг.

            Этот процесс был впервые осуществлён в 1918 году Н.Д. Зелинским. Его проводят в присутствии катализатора (алюмосиликатов: смеси оксида алюминия и оксида кремния) при температуре 450 — 500°С и атмосферном давлении. Обычно каталитическому крекингу подвергают дизельную фракцию. При каталитическом крекинге, который осуществляется с большой скоростью, получается бензин более высокого качества, чем при термическом крекинге. Это связано с тем, что наряду с реакциями расщепления происходят реакции изомеризации алканов нормального строения.

            Кроме того, образуется небольшой процент ароматических углеводородов, улучшающих качество бензина.

Слайд № 17

            Бензин каталитического крекинга более устойчив при хранении, так как в его состав входит значительно меньше непредельных углеводородов по сравнению с бензином термического крекинга.

            Таким образом, высокое качество бензина, получаемого каталитическим крекингом, обеспечивается наличием в его составе разветвленного строения углеводородов и ароматических углеводородов.

Чем же отличаются разные марки бензина? (Сообщение учащегося)

Слайд № 18

«Бензин: состав и октановое число. Детонация»

            Бензин – основное топливо для двигателей внутреннего сгорания. От его качества зависит работа двигателя, его долговечность, скорость передвижения. Давайте посмотрим, как работает автомобильный двигатель.

            Смесь паров бензина с воздухом засасывается в цилиндр и сжимается поршнем.   

            Сжатая смесь поджигается электрической искрой от запальной «свечи». Углеводороды, входящие в состав смеси, сгорают с образованием оксида углерода (IV) и воды, а также оксида углерода (II). Образующиеся газы двигают поршень, совершая работу. Чем сильнее сжимается смесь паров бензина и воздуха, тем больше мощность двигателя. Однако смеси некоторых углеводородов, входящих в состав бензина, сгорают со взрывом еще до достижения максимального сжатия. И происходит это не от электрической искры, а от высокой температуры в цилиндре. При этом взрывная волна стихийно распределяется в сжатом пространстве цилиндра. Она с огромной скоростью ударяет о поршень, о чем свидетельствует характерный стук в двигателе. Такое взрывное сгорание, называемое детонацией, приводит к преждевременному износу двигателя.

            Было установлено, что детонацию в основном вызывают углеводороды нормального (неразветвленного) строения. В то же время углеводороды с разветвленной углеродной цепью, а также непредельные и особенно ароматические углеводороды допускают значительное сжатие паров бензина с воздухом.

            Для характеристики качества бензина разработана октановая шкала. Каждый вид автомобильного топлива характеризуется октановым числом. За ноль принята способность к детонации у н-гептана, который детонирует очень легко. Октановое число относительно устойчивого к детонации 2,2,4 – триметилпентана, чаще называемого изооктаном, принято за 100.

            По этой шкале бензин с октановым числом 92 имеет такие же детонационные свойства, как смесь 92 % (по объёму) изооктана и 8 % гептана. Именно октановое число указывают в маркировке бензина. Чем выше октановое число, тем мощнее может быть двигатель.

            Октановое число бензиновой фракции, получаемой непосредственно перегонкой нефти, не превышает 65 – 70, такой бензин не подходит для современных двигателей.  Бензин с более высоким октановым числом получается при крекинге. В зависимости от типа крекинга бензин имеет октановое число 70 -80. Качество бензина можно улучшить также  риформингом.  Риформинг – это процесс ароматизации бензинов, осуществляемый путём нагревания их в присутствии платинового катализатора. Более дешёвый и лёгкий путь увеличения октанового числа состоит в добавлении к бензину некоторых веществ, изменяющих характер горения топлива. Так, детонационную стойкость бензина увеличивают небольшие количества тетраэтилсвинца Pb(C₂Н₅)₄.

            Такой бензин называют этилированным. Однако при его использовании в окружающую среду из выхлопных газов попадают чрезвычайно вредные для неё и здоровья человека соединения свинца. Чтобы отличить этилированный бензин от обычного, его окрашивают в красновато-фиолетовый цвет.  Во многих странах и большинстве городов России использование этилированного бензина запрещено.

            В настоящее время в мире широко распространены антидетонационные кислородсодержащие добавки к моторному топливу, такие, например, как метанол,  этанол и другие. При сгорании топлива с этими добавками в выхлопных газах не появляется никаких дополнительных загрязнений. К сожалению, в России пока применение кислородсодержащих добавок распространено мало.

Изучая нефть, нельзя не затронуть вопрос об экологических проблемах, связанных с нефтью

Экологические проблемы, связанные с нефтью

            Нефть нерастворима в воде и её плотность меньше, чем у воды, попадая в неё, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода.

            Давайте проведём эксперимент, доказывающий эти рассуждения.

Порядок выполнения эксперимента:

Добавим  небольшое количество нефти в стакан с водой. Жидкости не смешиваются. Мы наблюдаем нефтяную плёнку на поверхности воды.

Слайд № 19

            Если нефть попала в водоём, то   нефтяная пленка на поверхности воды нарушает обмен тепла, влаги и газов между водной средой и атмосферой, в результате нарушается биологическое равновесие.             Количество поступающей за год в Мировой океан нефти оценивается в 5–10 млн. т. Нефть и нефтепродукты попадают в океан не только при аварии судов, но и при  разведке, добыче и сливе балластных вод танкерами. 1 л разлитой нефти загрязняет приблизительно около 40 тыс. л  морской воды.

Слайд № 20

Воздействие нефти на экосистемы проявляется по-разному, в зависимости от степени загрязнения. Это может быть:

- Непосредственное отравление живых организмов с летальным исходом.

 - Нарушение физиологической активности.

- Прямое обволакивание нефтепродуктами живых организмов, отсутствие доступа кислорода. Возникновение болезней, вызванное попаданием в организм углеводородов.

- Негативные изменения в среде обитания.

III. Подведение итогов урока

            Нефть – главный товар в мире, от цены которого в немалой степени зависит «самочувствие» глобальной экономики. Нефть и продукты ее переработки – то, без чего сегодня человечество не проживет и дня. Мы рождаемся и живём в мире продуктов и вещей, полученных из нефти. Но с сожалением приходится констатировать, что более 90 % этого ценнейшего углеводородного  сырья расходуется пока как топливо, только оставшиеся 10 % тратятся на химическую переработку.

            В  заключение нашего урока я бы  хотела, чтобы вы объяснили, почему Д.И. Менделеев говорил, что топить нефтью, это всё равно, что топить ассигнациями? (ученики высказывают свои предложения)

            Менделееву приписывают не совсем то, что он имел в виду, - фраза, конечно, не имела отношения к важности развития нефтехимических производств. Эти слова сказаны в связи с сжиганием лёгкой бензиновой фракции. Но, к сожалению, по бережливости с углеводородным сырьём мы ушли не намного дальше. Достаточно вспомнить факелы попутных нефтяных газов в районах нефтедобычи и факелы над нефтеперерабатывающими заводами. Напрасно сжигая нефтепродукты, человечество приближает момент их исчерпания. По прогнозам, нефти в мире должно хватить на 40 лет. Кроме того, сжигание углеводородного сырья приводит к печальным экологическим последствиям: от смога на улицах городов до увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере Земли, которое, по мнению некоторых учёных, может привести к глобальному изменению климата на планете.