Урок химии "Нефть. Состав и свойства"
план-конспект урока по химии (10 класс) на тему

«Нефть.  Состав  и свойства»

 Цели урока: обобщить и систематизировать знания учащихся; углубить и расширить их представления о природных источниках нефтехимического сырья; подчеркнуть роль химии в решении народнохозяйственных проблем (сырьё, энергетика); обсудить экологические последствия нефтяного загрязнения; дать возможность учащимся повысить свой общекультурный уровень.

Методы и приёмы: беседа, рассказ с элементами демонстрации; лабораторная работа, презентация.

Демонстрационные опыты: 

1. Физические свойства нефти.
2. Фотографии и иллюстрации, характеризующие экологические последствия нефтяного загрязнения.

Лабораторный опыт: Физические свойства нефти.

Оборудование: На столах учащихся: флакон с нефтью, листок бумаги, чашка Петри с водой, стеклянная палочка.

ХОД УРОКА

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.  Сегодня мы познакомимся с ценным минеральным сырьём – нефтью.

План: 

1. Нефть в древности.
2. Происхождение нефти
3. Добыча нефти
4. Физические свойства нефти (лабораторный опыт).
5. Состав нефти
6. Переработка нефти
7. Применение нефти.  
8. Экологические последствия нефтяного загрязнения.

1. Нефть в древности. (сообщение учащегося)

Нефть известна давно. Установлено, что её добывали и использовали уже за 5–6 тысяч лет до нашей эры. Наиболее древние промыслы известны на берегах Евфрата, в Керчи, в Китае. В Библии говорится о смоляных ключах в окрестностях Мёртвого моря. Использовали нефть в самых разных целях.  Во-первых, её использовали в качестве лекарства. Гиппократ (IV–V века до н.э.) рекомендовал применять нефть при болезнях глаз, суставов, а также от кашля. В Египте нефть использовали при бальзамировании. Во-вторых, нефть применяли в строительстве, например, при сооружении Вавилонской башни, Великой Китайской стены, висячих садов Семирамиды. Подлинным открытием древности было изобретение греческого огня. Это была смесь нефти с селитрой и серой. Трагическое поражение в 1184 году князя Игоря в борьбе с половцами объясняют тем, что Кончак и его войско уже знали греческий огонь. Половцы добывали нефть из месторождений Керчи и Тамани.

2. Происхождение нефти. (сообщение учащегося)

М.В. Ломоносов считал, что нефть возникла из угля, а уголь в свою очередь из органических остатков. Органическую теорию происхождения нефти поддерживают большинство ученых, например Губкин Иван Михайлович. “За” эту гипотезу тот факт, что порфирины – “осколки” молекул гемоглобина и хлорофилла. Известно также, что нефть имеет специфические оптические свойства, характерные только для органических веществ. Неорганическую гипотезу происхождения нефти сформулировал Д.И. Менделеев. Он считал, что в глубине Земли карбиды металлов взаимодействуют с водой и образуются углеводороды:

2 FeC + 3 H2O = Fe2O3 + H3C-CH3 
                                          этан.

3. Добыча нефти(сообщение учащегося)

Залежи нефти находятся в недрах земли на разной глубине (обычно около 3 км), где она заполняет пространство между породами. Если нефть находится под давлением газов, то она поднимается по скважинам на поверхность Земли. 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. 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..

Наиболее крупные запасы нефти на территории РФ:

• Волго-Уральский бассейн;
• Западная Сибирь;
• Северный Кавказ.

4. Физические свойства нефти.

Лабораторный опыт 1. Физические свойства нефти.

Учащиеся выполняют лабораторную работу по инструкции. Лабораторная  работа «Свойства нефти»

1. Рассмотрите выданный образец нефти.
2.  Опишите физические свойства нефти:

• Агрегатное состояние
• Цвет
• Запах
• Вязкость

3. Проведите исследование образца нефти:

• Растворимость в воде

В воду капните 2 - 3 капли нефти. Что наблюдаете? Растворяется ли нефть в воде?

• Плотность нефти.

Где находится нефть при смешивании с водой?  О чем это свидетельствует?

Запишите полученные данные в тетрадь.

Применение продуктов переработки нефти

 Делают  записи в тетрадях:

Нефть – маслянистая жидкость.

Цвет – темно-коричневый с красноватым оттенком.  (нефть может быть черной с зеленым оттенком, красной, синей, светлой, даже белой, или бесцветной как вода (в Баку)

Специфический запах.

 В воде не растворима (образует на поверхности тончайшую пленку (10 л нефти могут покрыть 1 км2).

Плотность обычно менее 0,9 г/мл.

5. Состав нефти.

Работа по таблице:

В разных месторождениях нефть имеет различный состав. Например, Бакинская нефть богата нафтенами, Пермская – аренами, Грозненская – алканами.

Схема 1. Состав нефти

Вывод: нефть – это смесь углеводородов с примесями неорганических веществ.

6. Переработка нефти.

1. Исторические сведения

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  Стало крылатым выражение, что “сжигать нефть и газ – это все равно, что растапливать печь ассигнациями” (Д.И. Менделеев).

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. Жидкая часть нефти, поступающей в колонну, стекает по тарелкам вниз, образуя  мазут, представляющий собой ценную смесь большого количества тяжёлых углеводородов. Такая перегонка называется фракционной.

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

Крегинг

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.

7. Применение.

Самостоятельная работа по учебнику.

Продукты фракционной перегонки нефти

6. Экологические последствия нефтяного загрязнения.

Добывать нефть в больших количествах начали в 1745 году на Севере России. Поначалу казалось, что нефть приносит людям только выгоду, но оказалось, что её использование имеет и обратную сторону.

Более 1,5 млрд. т нефти перевозится ныне морским путём – океан связывает воедино нефтяные месторождения с основными потребителями.

Ежегодно в Мировой океан сбрасывается от 2 до 20 млн. т. Более  30% поверхности океана покрыто нефтяной пленкой. Особенно загрязнены воды Средиземного моря, Атлантического океана и их берега

Морская среда все более и более загрязняется. Это явление уже приобрело крупномасштабный характер. Вот что поведал Тур Хейердал, известный норвежский ученый и путешественник, после рейса на папирусной лодке “Ра”: “В 1947 году, когда бальсовый плот “Кон-Тики” за 101 сутки прошел около 8 тысяч км в Тихом океане, экипаж на своем пути не видел никаких следов человеческой деятельности, если не считать разбитого парусника на рифе, к которому прибило плот. Океан был чист и прозрачен. И для нас было настоящим ударом. Когда мы в 1969 году, дрейфуя на папирусной лодке “Ра”, увидели, до какой степени загрязнен Атлантический океан. Мы обгоняли пластиковые сосуды. Изделия из нейлона, пустые бутылки, консервные банки. Но особенно бросался в глаза мазут”.

В море нефтяное загрязнение имеет различные формы: тонкая пленка или комочки.

Пленка не пропускает кислород, и живые организмы гибнут от удушья. Комочки мазута прилипают к мелким животным, которыми питаются рыбы и усатые киты. От такого “обеда” одни рыбы гибнут от отравления, другие насквозь пропитываются нефтью и становятся непригодными в пищу человека из-за неприятного запаха и вкуса.

Все компоненты нефти токсичны, арены – канцерогенны и мутагенные. Они могут циркулировать по пищевым цепям и попадать в организм человека. В результате нарушается химический состав клеток, нарушаются процессы дыхания, роста, возможны мутации, возникновение раковых заболеваний.

Нефть попадает в море различными путями.

Аварии танкеров, перевозящих нефть. Первая авария, которая всколыхнула мир, произошла в 1967 году у берегов Западной Европы. Супертанкер “Торри Каньон” потерпел крушение около Англии. В море попало 120 000 тонн нефти. Погибло 50 000 птиц (90% птиц этого региона). Нефть пытались уничтожить. Для этого её поджигали, с этой целью было сброшено 98 бомб, 45 тонн напалма, вылито 90 тонн керосина.

Хотя таких аварий очень много, они составляют всего 12 % от всех источников загрязнения. Больше всего нефти (27 и 30 %) попадает в море в результате разгрузки танкеров. Их промывают морской водой, которую затем сливают в море.

Схема 2. Источники нефтяного загрязнения морей и океанов

Способы очистки моря от нефтяного загрязнения

Сжигание нефти на поверхности океана – не самый лучший способ. Во время этого процесса в воздух выбрасывается много угарного газа, углекислого газа, сернистого ангидрида, которые являются причиной “парникового эффекта”, образования смога и т.д.

Шведские и английские специалисты предлагают использовать старые газеты, бумагу. Мелко порезанная бумага впитывает в себя нефть в 28 раз больше своей массы.

Большие надежды возлагаются на микроорганизмы, которых создали в лабораториях фирмы “Дженерал электрик” (США). Эти микробы способны расщеплять молекулы углеводородов (УВ).

В последние годы ученые пытаются привлечь таких животных как моллюск – кардиум, который всегда жил в Каспии. Он также умеет расщеплять УВ.

 Подведение итогов урока.

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 жидкости ?

 Почему  нефть так важна для человека, и ее именуют  «чёрным золотом»?

Анализ работы на уроке.

Домашнее задание)

Задание 1. Напишите уравнения химических реакций, с помощью которых можно получить из нефти полиэтилен.

Примерная цепочка превращений:

Метан —> ацетилен —> этилен —> полиэтилен.

10. Домашнее задание: § 10. (Габриелян О.С. Химия 10 класс. Базовый уровень)