Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Д.И.Менделеев - один из первых, кто выдвинул теорию происхождения нефти (1876). Он считал, что нефть образовалась при действии воды на карбид железа Fe₃С, который может входить в состав ядра земного шара. В настоящее время эта теория оставлена и принято биохимическое происхождение нефти из останков простейших организмов, осевших на дно бывших морей. Эта теория подтверждается тем, что в нефти обнаружены продукты разложения хлорофилла.

Нефть - очень ценное химическое сырье, ее также можно использовать как топливо: 1 кг нефти при сжигании выделяет около 45 000 кДж теплоты. В настоящее время нефть в качестве топлива почти не используется, т. к. экономически более выгодно получать из нефти бензин и другие вещества после ее переработки.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА В СОВРЕМЕННОЙ РОССИЙСКОЙ ШКОЛЕ

Преподавание темы "Природные источники углеводородов и энергии. Нефть и продукты ее переработки" начинается с 10 класса, первого полугодия. При изучении этой темы пользуются учебником химии под редакцией Г. Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман, также учебником за 10 класс под редакцией Н. С. Ахметова.

Тема "Углеводороды" (10 часов)
1/4	Природный газ. Характеристика алканов по составу, строению и свойствам.
2/5	Изомерия и номенклатура алканов. Химические свойства. Применение.
3/6	Характеристика алкенов по составу, строению и свойствам.
4/7	Химические свойства и применение алкенов.
5/8	Алкадиены: состав, строение, свойства
6/9	Алкины. Ацетилен.
7/10	Арены.
8/11	Нефть и способы ее переработки.
9/12	Обобщение и систематизация знаний по теме "Углеводороды"
10/13	Контрольная работа №1 "Углеводороды"

Дидактическим материалом служит книга по химии для 10 класса под редакцией А. М. Радецкого, В. П. Горшкова; используются задания для самостоятельной работы по химии за 10 класс под редакцией Р. П. Суровцева, С. В. Софронова; используется сборник задач по химии для средней школы и для поступающих в вузы под редакцией Г. П. Хомченко, И. Г. Хомченко. В 10 классе на данной темы отводится 10 ч [3, 4].

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ТЕМЫ "НЕФТЬ"

Нефть - жидкое горючее ископаемое, добываемое из недр Земли. Нефть представляет собой нерастворимую в воде коричневую или черную маслянистую жидкость легче воды (плотность 0,75-0,95 г/мл). Она содержит 83-87% углерода и 11-14% водорода. Нефть состоит из углеводородов - алканов и циклоалканов. Состав ее зависит от месторождения: в одних преобладают алканы, в других - циклоалканы. Грозненская нефть состоит в основном из алканов, уральская - из циклических и нециклических углеводородов, бакинская - из циклических углеводородов:

Кроме углеводородов нефть содержит различные сернистые и азотистые соединения. Чем меньше этих примесей, тем выше качество нефти. В нефти обычно бывает растворен метан, значительные количества которого теряются при несовершенной технике нефтедобычи.

Д.И.Менделеев - один из первых, кто выдвинул теорию происхождения нефти (1876). Он считал, что нефть образовалась при действии воды на карбид железа Fe₃С, который может входить в состав ядра земного шара. В настоящее время эта теория оставлена и принято биохимическое происхождение нефти из останков простейших организмов, осевших на дно бывших морей. Эта теория подтверждается тем, что в нефти обнаружены продукты разложения хлорофилла.

Нефть - очень ценное химическое сырье, ее также можно использовать как топливо: 1 кг нефти при сжигании выделяет около 45 000 кДж теплоты. В настоящее время нефть в качестве топлива почти не используется, т. к. экономически более выгодно получать из нефти бензин и другие вещества после ее переработки.

При переработке нефти фракционированием (после предварительного удаления газов) выделяют следующие продукты:

а) Бензины, температура кипения которых - вплоть до 180 °С. Эта фракция содержит углеводороды с 5-9 атомами углерода. Повторным фракционированием из нее выделяют бензины для авиационных и автомобильных двигателей.

б) Керосины, температура кипения которых находится в пределах 180-300 °С. Эта фракция содержит углеводороды с 10-16 атомами углерода. Керосины подразделяются на осветительные, тракторные, реактивные. в) Нефтяные остатки - мазут. Это смесь углеводородов с 17 углеродными атомами и выше. Из мазута при температуре 300 °С и выше отгоняют так называемые соляровое и трансформаторное масла, из него получают вазелин и чистый твердый парафин.

После перегонки нефти получается всего 10-20% бензина. Для увеличения количества получаемого бензина более высококипящие фракции подвергают нагреванию для разрушения больших молекул до молекул, входящих в состав бензина. Эту технологическую операцию называют крекингом. В частности, крекингом мазута при температуре 450-550 °С дополнительно получают бензин. Остаток после переработки мазута - гудрон - используют для покрытия дорог. В настоящее время крекинг проводят на катализаторах - платине или алюмосиликатах. (Напишите формулу простейшего алюмосиликата.)

Крекинг при еще более высоких температурах (700-800 °С) называют пиролизом.

Крекинг и пиролиз позволяют довести суммарный выход бензина из нефти до 85%.

Первый проект промышленной установки для крекинга был разработан в 1891 г. известным русским инженером В.Г.Шуховым.

Посмотрите в энциклопедии, что еще сделал В.Г.Шухов.

При крекинге и пиролизе образуются не только более простые молекулы из-за разрыва тяжелых молекул; одновременно протекают многочисленные, часто еще неизвестные, реакции изомеризации и циклизации.

После крекинга бензин получается более высокого качества по сравнению с бензином после перегонки нефти.

Работа двигателя внутреннего сгорания основана на использовании работы расширения реакции горения компонентов бензина с кислородом воздуха. Теплота реакции в этом процессе является побочным продуктом и удаляется из мотора системой охлаждения двигателя (радиатор).

В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания цепная реакция горения углеводородов (после предварительного сжатия газовой смеси) инициируется электрической искрой. Чем сильнее сжата смесь перед вспышкой, тем больше развиваемая мотором мощность и тем относительно меньше расход бензина. Однако увеличение степени сжатия возможно только до некоторого предела, зависящего от прочности деталей двигателя и качества бензина.

При слишком высоком сжатии цепная реакция горения смеси может еще более ускориться и превратиться во взрывоподобную. Более того, реакция может начаться до достижения максимального сжатия в цилиндре и даже до появления электрической искры. Из-за этого слышится стук в двигателе и его мощность резко падает.

В камере сгорания происходит детонация, при которой бензин сгорает не полностью, образуется не углекислый газ, а монооксид углерода СО, угарный газ. В выхлопных газах увеличивается содержание оксидов азота и сажи. Автомобиль выбрасывает клубы дыма. Мотор дрожит и даже продолжает работать после выключения зажигания.

Допустимая степень сжатия до появления детонации характеризуется октановым числом топлива. Чем выше октановое число, тем на большую степень сжатия может быть рассчитан мотор и тем большую мощность он будет развивать.

Октановое число - условный показатель антидетонационных свойств моторного топлива (бензин, керосин). Моторное топливо сравнивается со смесью изооктана, октановое число которого условно принято за 100, и нормального гептана с октановым числом, равным 0. Процент изооктана в смеси, эквивалентной по детонационной стойкости испытываемому топливу, называется октановым числом топлива. Если октановое число равно 90, то это означает, что бензин детонирует, как и смесь, состоящая из 90% изооктана и 10% нормального гептана.

По этой шкале оценки качества бензина можно получить и смесь с октановым числом, большим 100. Например, смесь бензина (с октановым числом 100) с 10% изооктана будет иметь октановое число, равное 110.

Октановое число бензина повышается с возрастанием содержания в бензине углеводородов с молекулами разветвленного (изосоединения) и циклического строения. Например, октановое число нормального гексана равно 40, его изомеров: 1,1,1-триметилпропана - 80 и 2,3-диметилбутана - 120; циклогексана - 80 (октановое число бензола, который мы будем изучать в следующем году, равно 100).

Октановое число бензина после перегонки нефти не превышает 70. Для повышения качества низкосортных бензинов в них вводят различные добавки - антидетонаторы (до 0,3%). Наиболее распространенной добавкой является тетраэтилсвинец Рb(C₂H₅)₄, добавление которого повышает октановое число бензина. При высокой температуре вспышки бензиновоздушной смеси тетраэтилсвинец распадается и образуется металлический свинец. Чтобы свинец не конденсировался на внутренних деталях мотора, в бензин добавляют раствор тетраэтилсвинца в бромистом этиле C₂H₅Вr. Образуется летучий бромид свинца, выбрасываемый в атмосферу.

Бензин с тетраэтилсвинцом называют этилированным, он крайне опасен для здоровья. При его попадании на кожу человека тетраэтилсвинец прекрасно впитывается, проникает внутрь организма и оседает в почках и мозговых тканях. Через несколько лет (даже десятков лет) у человека проявляются симптомы отравления - трясутся руки, затрудняется ходьба, ухудшается зрение и наступает слабоумие.

От тетраэтилсвинца страдают не только водители, но и все, кто дышит выхлопными газами, содержащими свинец.

Бромид свинца, попадающий в атмосферу, неустойчив и под действием света и кислорода воздуха осаждается в виде нелетучих соединений (оксиды свинца) вблизи автомобильных дорог. Овощи и фрукты, выращенные даже в 100 м от дороги, оказываются с повышенным содержанием свинца.

В цивилизованных странах введение в бензин каких-либо добавок, содержащих тяжелые элементы металлического характера, запрещено. В нашей стране пока такое запрещение распространяется только на крупные города. Для того чтобы не вводить в бензин тетраэтилсвинец, необходимо так проводить крекинг нефти, чтобы получались смеси с возможно большим содержанием углеводородов типа изооктана. Для этого необходимо создание еще более специфически действующих катализаторов. Пока эта задача далека от желаемого решения. Нефть может быть получена искусственно. Один из способов состоит в том, что мелкораздробленный каменный уголь нагревают с водородом (500 °С, 200 атм), при этом происходит реакция между углеродом и водородом (гидрирование) и образуются тяжелые углеводороды. Далее такая искусственная нефть подвергается той же обработке, что и природная. Топливо, не уступающее по качеству бензину из нефти, в настоящее время получают следующим образом. При пропускании водяного пара через раскаленный углерод - кокс - образуется смесь двух газов, называемая водяным газом:

С + Н₂О = СО + Н₂.

Далее водяной газ пропускают через слой катализатора (железо, кобальт, никель, температура 200-300 °С) и получают смесь углеводородов, к сожалению, преимущественно нормального строения. Все многообразие реакций этого процесса можно выразить двумя схемами:

СО + Н₂ ® смесь углеводородов + Н₂О,

СО + Н₂ ® смесь углеводородов + CO₂.

В природе встречаются вещества, близкие по составу нефти. Например, горный воск, или озокерит, состоящий из твердых углеводородов. Это вещество используется для изготовления различных мастик, изоляционных материалов и т. п.

Другое вещество со знакомым вам названием - асфальт - используется в тех же целях, что и озокерит, но основная его масса в смеси с щебенкой и песком применяется в строительстве дорог. В настоящее время в качестве асфальта используют самые тяжелые остатки переработки нефти, из которых ничего более полезного извлечь не удается. Врачи и экологи неоднократно обсуждали вопрос о влиянии испарений асфальта и его пыли, образующейся при движении автомашин, на здоровье человека. Попадая с воздухом в легкие человека, пары и асфальтовая пыль могут вызвать раковое заболевание легких.

Коксохимическое производство и проблема получения жидкого топлива

Запасы каменного угля в природе значительно превышают запасы нефти. Поэтому каменный уголь - важнейший вид сырья для химической отрасли промышленности.

В настоящее время в промышленности используется несколько путей переработки каменного угля: сухая перегонка (коксование, полукоксование), гидрирование, неполное сгорание, получение карбида кальция.

Сухая перегонка каменного угля и ее продукты

Сухая перегонка угля используется для получения кокса в металлургии или бытового газа. При коксовании угля получают кокс, каменноугольную смолу, надсмольную воду и газы коксования.

Каменноугольная смола содержит самые разнообразные ароматические и другие органические соединения. Разгонкой при обычном давлении ее разделяют на несколько фракций. Из каменноугольной смолы получают ароматические углеводороды, фенолы и др.

Газы коксования содержат преимущественно метан, этилен, водород и оксид углерода(II). Частично их сжигают, частично перерабатывают. Гидрирование угля осуществляют при 400-600 °С под давлением водорода до 250 атм в присутствии катализатора - оксидов железа. При этом получается жидкая смесь углеводородов, которые обычно подвергают гидрированию на никеле или других катализаторах. Гидрировать можно низкосортные бурые угли.

Использование коксового газа и угля

Карбид кальция СаС₂ получают из угля (кокса, антрацита) и извести. В дальнейшем его превращают в ацетилен, который используется в химической отрасли промышленности всех стран во все возрастающих масштабах.

Глава 3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ "ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ И ЭНЕРГИИ"

УРОК № 1 по теме: " ПРИРОДНЫЙ ГАЗ И УГОЛЬ"

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Введение.

Уголь был первым из используемых человеком видов ископаемого топлива. Он позволил совершить промышленную революцию, которая в свою очередь способствовала развитию угольной промышленности, обеспечив её более современной технологией Основная трудность использования угля состоит в высоком уровне выбросов от сжигания угля -- газообразных и твёрдых (зола). В большинстве развитых стран, включая Россию, действуют жёсткие требования по уровню выбросов, допустимых при сжигании угля, поэтому необходима замена угля другими видами топлива, например, природным газом.

3. Изучение нового материала. Проводится в виде сообщений учащихся, выполнявших проекты.

а) Состав и добыча природного газа.

Проект "Состав и добыча природного газа". Слайд № 22

Основную часть природного газа составляет метан -- до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды -- гомологи метана: этан, пропан, бутан, а также другие неуглеводородные вещества: водород, сероводород, углекислый газ, азот. Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество меркаптанов, имеющих сильный неприятный запах. Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают, охлаждая при повышенном давлении.

Для транспортировки в обычных баллонах природный газ разделяют, в результате такой газ состоит в основном из пропана, а также более тяжёлых углеводородов, в виду того, что метан и этан не могут существовать в жидком состоянии при комнатных температурах.

Природный газ находится в земле на глубине от 1000 метров до нескольких километров. В недрах газ находится в микроскопических пустотах, называемых порами. Поры соединены между собой микроскопическими каналами -- трещинами, по этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением до тех пор, пока не окажется в скважине. Скважины стараются разместить равномерно по всей территории месторождения. Это делается для равномерного падения пластового давления в залежи. Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а так же преждевременное обводнение залежи. Движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора. Слайд № 23

б) Применение природного газа и его преимущества.

Проект "Применение природного газа". Слайд № 24 - № 25.

Природный газ широко применяется в качестве горючего, для отопления жилых домов, как топливо для машин, электростанций и др. Он является самым чистым вид минерального топлива. Благодаря химическому составу, простоте и эффективности использования он может внести существенный вклад в снижение выбросов углекислого газа путем замены им ископаемых видов топлив. Переход на природный газ, при сохранении того же соотношения эффективности преобразования энергии топлива в электроэнергию, сократил бы выбросы в атмосферу на 40%. В тоже время очень важно оптимизировать его использование. Кроме того, природный газ используется в химической промышленности как исходное сырьё для получения различных органических и неорганических веществ.

в) Попутный нефтяной газ.

Проект "Попутный нефтяной газ". Слайд № 26

Отличием попутного газа является то, что находится над нефтью или растворён в ней под давлением. Он содержит меньше метана (30-50%), но больше его гомологов, в нём присутствуют те, же примеси, что и в природном газе.

г) Образование и состав угля. Слайд № 27

Проект " Образование и состав угля". Слайд № 28 - № 29

Уголь -- осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений. Он образуется в условиях, когда гниющий растительный материал накапливается быстрее, чем происходит его бактериальное разложение. Идеальная обстановка для этого создаётся в болотах, где стоячая вода, обеднённая кислородом, препятствует жизнедеятельности бактерий и тем самым предохраняет растительную массу от полного разрушения. На определённой стадии процесса, выделяемые в ходе его, кислоты предотвращают дальнейшую деятельность бактерий. Так возникает торф -- исходный продукт для образования угля. Если затем происходит его захоронение под другими наносами, то торф испытывает сжатие и, теряя воду и газы, преобразуется в уголь.

д) Классификация и добыча угля.

Проект " Классификация и добыча угля". Слайд № 30

В Российской Федерации в зависимости от стадии метаморфизма различают:

Бурые угли содержат много воды ( до 43 %), и поэтому имеют низкую теплоту сгорания. Кроме того, содержат большое кол-во летучих веществ (до 50 %). Образуются из отмерших органических остатков под давлением нагрузки и под действием повышенной температуры на глубинах порядка 1 километра. Слайд № 31, гиперссылка на слайд № 62

Каменные угли содержат до 12 % влаги (3-4 % внутренней), поэтому имеют более высокую теплоту сгорания. Содержат до 32 % летучих веществ, за счёт чего неплохо воспламеняются. Образуются из бурого угля на глубинах порядка 3 километров. Слайд № 32, гиперссылка на слайд № 63

Антрациты почти целиком (96 %) состоят из углерода. Имеют наибольшую теплоту сгорания, но плохо воспламеняются. Образуются из каменного угля при повышении давления и температуры на глубинах порядка 6 километров. Слайд № 33, гиперссылка на слайд № 64

Способ добычи угля зависит от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом в угольных разрезах, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при все большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом. Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Слайд № 34, гиперссылка на слайд № 65

е) Применение угля.

Проект " Применение угля". Слайд № 35

Уголь используется как бытовое, энергетическое топливо, сырье для металлургической и химической промышленности, а также для извлечения из него редких и рассеянных элементов. Угольная, коксохимическая промышленность, отрасли тяжелой промышленности осуществляют переработку каменного угля методом коксования - нагревания до 950-10500 С без доступа воздуха. Основными продуктами коксования являются: коксовый газ, каменноугольная смола, аммиак. Из них извлекают углеводороды, использующиеся для производства лаков, красок, линолеума и в резиновой промышленности. Из угля можно получить более 400 различных продуктов. Очень перспективным является сжигание (гидрогенизация) угля с образованием жидкого топлива. Зола от сжигания углей, отходы добычи и переработки используются в производстве стройматериалов, керамики, огнеупорного сырья, глинозема, абразивов. С целью оптимального использования угля производится его обогащение (удаление минеральных примесей).

4. Подведение итогов.

Задачи к реферату "Природные источники углеводородов"

1. При сжигании 1,6 г органического вещества было получено 1,12 л диоксида углерода (н.у.) и 1,8 г паров воды. Плотность паров исследуемого вещества по воздуху равна 1,104. Определите молекулярную формулу вещества.

2. При действии соляной кислоты на 2 г смеси магния и оксида магния выделился газ, при сгорании которого образовалось 0,9 г воды. Определите массовую долю магния в смеси.

3. Какая соль и сколько ее по массе получится при пропускании газа - продукта сжигания 16 г серы - через 500 мл 1М раствора гидроксида натрия?

4. Какой объем 0,25М раствора гидроксида натрия потребуется для превращения оксида углерода(IV), выделившегося при полном сжигании 6,4 г 2,2,3-триметилгексана, в кислую соль?

5. Сколько граммов нитробензола образуется из 39 г бензола и 39 г азотной кислоты?

6. При хлорировании 78 г бензола действием 1 моль хлора получено 0,5 моль хлорбензола. Каков выход в процентах от теоретически возможного?

7. Для реакции сульфирования смешали 150 мл 96%-й серной кислоты ( = 1,84 г/мл) и 150 мл бензола ( = 0,8 г/мл). При нагревании смеси получили продукт (назовите его) с выходом 80% от теоретически возможного. Определите массу продукта реакции.

8. Сколько известняка необходимо обжечь, чтобы карбидным способом получить ацетилен, которого хватило бы для получения 500 г 25%-го раствора ацетальдегида?

9. К 500 г 12%-го раствора сахара добавили еще 50 г сахара. Какова массовая доля сахара (в %) в полученном растворе?

10. При дегидрировании этана объемом 89,6 л (н.у.) с выходом 80% получили этилен. Какой объем растворителя 1,2 дихлорэтана можно получить из этого этилена? (Плотность 1,2-дихлорэтана - 1,24 г/мл.)

11. Сколько миллилитров 20%-го раствора азотной кислоты ( = 1,12 г/мл) требуется для приготовления 200 мл ее 0,1М раствора?

12. Для реакции с 8 г смеси меди и оксида меди(II) потребовалось 200 мл 0,5М раствора соляной кислоты. Вычислите массовую долю меди в смеси (в %).

13. Какой объем аммиака (н.у.) необходим для приготовления 3 л раствора с массовой долей аммиака 10%, если плотность раствора - 0,95 г/мл?

14. Через 500 мл 1М раствора едкого натра пропущено 11,2 л диоксида серы (н.у.). Какая получилась соль и сколько ее по массе образовалось?

15. Газ, полученный при растворении 9,6 г меди в концентрированной серной кислоте, пропустили через 200 мл 2,8%-го раствора гидроксида калия ( = 1 г/мл). Какая соль образовалась в растворе? Какова ее масса?

16. При пропускании ацетилена через аммиачный раствор оксида серебра образовалось взрывчатое вещество, не содержащее водорода. Какова структурная формула соединения? Сколько литров ацетилена потребуется для получения 24 г продукта реакции, если выход составляет 89% от теоретического?

17. Из ацетилена объемом 3,36 л (н.у.) получили бензол объемом 2,5 мл. Определите выход продукта, если плотность бензола равна 0,88 г/мл?

18. При действии соляной кислоты на 6,5 г смеси цинка с оксидом цинка выделился газ, при сгорании которого образовалось 0,9 г воды. Найдите массовые доли (в %) металла и его оксида в исходной смеси.

19. Диоксид углерода, полученный при прокаливании 200 г известняка, содержащего 8% примесей, пропустили через раствор гидроксида бария. Сколько граммов осадка образовалось?

20. Рассчитайте, сколько миллилитров 19%-го раствора гидроксида натрия ( = 1,1 г/мл) потребуется для нейтрализации газа, выделившегося при получении бромбензола из 31,2 г бензола.

21. Остаток, полученный после термического разложения хлората калия КClО₃ в присутствии МnО₂, растворили в воде. К этому раствору добавили избыток раствора нитрата серебра и получили 57,4 г осадка. Какой объем кислорода выделился при разложении бертолетовой соли?

22. Газ, выделившийся при действии 16,6 мл раствора хлороводорода ( = 1,1 г/мл) с массовой долей кислоты 20% на 10 г сульфида железа(II), пропустили через 0,5 л раствора гидроксида натрия с массовой долей (NaOH) = 0,4% ( = 1 г/мл). Какая соль и в каком количестве образовалась?

23. При нагревании предельного одноатомного спирта массой 12 г с концентрированной серной кислотой образовался алкен массой 6,3 г. Выход продукта оставил 75%. Определите формулу спирта.

24. При обработке 75 г смеси стружек меди и алюминия концентрированной азотной кислотой выделился газ, при взаимодействии которого с водой было поглощено 4,48 л кислорода (н.у.). Определите массовые доли (в %) металлов в исходной смеси.

25. Предельный одноатомный спирт массой 30 г взаимодействует с избытком металлического натрия, образуя водород, объем которого при н. у. составляет 5,6 л. Определите формулу спирта.

26. Сожгли 2,24 л метана. Образовавшийся диоксид углерода пропустили через 19,1 мл 32%-го раствора гидроксида натрия (= 1,35 г/мл). Какая соль образовалась и какова ее массовая доля в полученном растворе?

27. При действии избытка щелочи на 3 г сплава алюминия с магнием выделилось 3,36 л водорода (н.у.). Найдите массовую долю магния в сплаве.

28. 12,2 г железа сплавили с 64,4 г серы. К полученному продукту реакции добавили избыток соляной кислоты. Выделившийся газ пропустили через 299 г 15%-го раствора хлорида меди(II). Определите массу образовавшегося осадка.

29. Сожгли 5,6 л этана. Весь полученный газ был поглощен 315 мл 6%-го раствора едкого натра ( = 1,06 г/мл). Какая соль и сколько ее образовалось?

30. Алкен нормального строения содержит двойную связь при первом атоме углерода, а 0,7 г этого алкена присоединяют 1,6 г брома. Определите формулу алкена, напишите формулы его возможных изомеров и назовите их.

Урок в 10-м классе по теме "Нефть. Состав и переработка нефти. Нефтепродукты"

Климова Марина Александровна, учитель химии

Статья отнесена к разделу: Преподавание химии

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, коллекция "Нефть и нефтепродукты", информационный текст "Нефть. Состав и переработка нефти. Нефтепродукты", презентации учащихся, видеофрагмент из кинофильма "Большая перемена", мультимедийное оборудование.

ХОД УРОКА

I. Подведение к теме

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:

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

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, в подготовке которого вы принимали самое активное участие. Каждая из пяти групп выполняла проектную работу по определённой теме. Критерии оценки проекта вы получили заранее. И от вашего ответа зависит успех всей группы. Но кроме этого вы работаете по остальным вопросам на выданных вам листах. Возьмите эти листы.

Прочитайте текст и сделайте пометки + (знаю), ? (не знаю, не уверен в этих знаниях или хотел бы расширить свои знания по этому вопрос).

1. Нефть - основной источник углеводородного сырья.

2. Нефть - это сложная смесь углеводородов, в основном алканов линейного и разветвлённого строения, содержащих в молекулах от 5 до 50 атомов углерода.

3. Чтобы выделить из нефти индивидуальные вещества её подвергают переработке.

4. Перегонка - это физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.

5. Крекинг - это процесс термического или каталитического разложения углеводородов, содержащихся в нефти.

6. Детонация - это взрыв смеси газов в двигателях внутреннего сгорания при сжатии.

7. Октановое число - это число, показывающее стойкость к детонации бензина.

Поднимите руки те, у которых возникли вопросы после прочтения данного текста. Чтобы вы смогли убрать вопросительные знаки с этого текста, я предлагаю вам внимательно послушать выступления представителей каждой группы и рассмотреть нефть с разных позиций.

II. Изучение нового материала

II. 1. Защита проекта "Нефть как природный источник углеводородов" (защита сопровождается компьютерной презентацией (см. Приложение 1))

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.

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.

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.

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.

Что такое нефть?

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. 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. Большая роль в изучении состава нефти различных месторождений принадлежит российским химикам Д.И. Менделееву, В.В. Марковникову, Н.Д. Зелинскому и др.

Добыча нефти

Нефть добывают в основном с помощью бурения скважин на суше, морях и океанах. 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.

Транспортировка нефти по суше в настоящее время осуществляется путем нефтепроводов, железнодорожных цистерн, между континентами Ї с помощью танкеров.

II. 2. Защита проекта "Перегонка нефти как начальная стадия нефтепереработки"

Немного из истории…

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. До стадии перегонки нефть очищают от примесей солей и воды.

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 УВ 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 УВ. 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 Ї малый выход бензина (не более 20 %).

II. 3. Задание классу

Используя § 10 учебника (О. Габриеляна) (стр. 59 -60), заполните таблицу:

Продукты фракционной перегонки нефти

Название фракции	Состав	tкипения	Применение
Ректификационные газы
Газолиновая фракция (бензин)
Лигроиновая фракция
Керосиновая фракция
Дизельное топливо
Мазут

А сейчас внимание на экран. Вы просмотрели видеофрагмент из кинофильма "Большая перемена". О чём идёт речь в этом фрагменте? (о крекинге нефтепродуктов). Так что же такое крекинг нефтепродуктов? Ответ на этот вопрос нам даст 3 группа.

II.4. Защита проекта "Крекинг нефтепродуктов"

Термический крекинг

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.

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

гексадекан октан октен

Однако разрыву могут подвергаться и другие С--С-связи. Поэтому при крекинге образуется сложная смесь жидких алканов и алкенов.

Получившиеся вещества частично могут разлагаться далее, например:

С₈Н₁₈ > С₄Н₁₀ + С₄Н₈

октан бутан бутен

С₄Н₁₀ > С₂Н₆ + С₂Н₆

бутан этан этилен

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.

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.

II.5. Защита проекта "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(C₂H₅)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.

Об экологических проблемах, связанных с нефтью расскажет 5 группа.

II.6. 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.

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. 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.

Слово учителя. Молодцы! Выступление, какой группы вам понравилось больше всего? Сделайте соответствующие отметки в листах оценки.

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 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.

Ознакомление с образцами продуктов нефтепереработки и коксования каменного угля

Оборудование. Коллекции "Продукты нефтепереработки", "Продукты коксохимической переработки каменного угля"; учебные схемы "Перегонка нефти. Трубчатая печь и ректификационная колонна", "Фрагмент установки каталитического крекинга нефтепродуктов", "Коксохимическое производство", "Основные научные принципы современного химического производства", "Выход продукта и отходы производства. Экологические проблемы".

Схема трубчатой печи (1) и ректификационной колонны (2)

Нефть - природная смесь углеводородов, обычно содержащая три вида углеводородов (в зависимости от месторождения) - парафины, цикланы и арены (ароматические). Крекинг - процесс расщепления углеводородов нефти с образованием более легких углеводородов (т. е. с меньшей температурой кипения).



Схема получения в лабораторных условиях жидких и газообразных продуктов перегонки нефти (установка И.Т.Сыроежкина)

Термический крекинг протекает при 470-550 °С. Процесс медленный. Образуются углеводороды с неразветвленной цепью, в том числе непредельные углеводороды, легко окисляющиеся и полимеризующиеся. Продукт неустойчив при хранении.

Каталитический крекинг протекает при 450-500 °С в присутствии катализаторов. Скорость процесса больше, чем при термическом крекинге. Происходит изомеризация (разветвление). Продукт обладает большей детонационной стойкостью. Непредельных углеводородов в смеси меньше, следовательно, образующийся бензин более устойчив при хранении. Пиролиз - это высокотемпературный (700 °С и больше) крекинг без доступа воздуха (продукты - этен, этин, бензол, толуол и др.). При радикальном разрыве -связей (связи С-С примерно в середине углеродной цепи и связи С-Н в 2-положении от места разрыва связи С-С) из одной молекулы алкана образуется две сравнительно короткие молекулы новых алкана и алкена. Например, из н-октана получается н-бутан и бутен-1:



Дальнейший пиролиз можно описать такими реакциями:

Схема использования продуктов нефтепереработки

Каменный уголь - твердое горючее ископаемое растительного происхождения. Составные части каменного угля:

горючая или органическая часть (основная),