Урок в 10 классе по теме: Нефть и способы ее переработки

Цель урока: познакомиться с нефтью, как источником углеводородов, и способами ее переработки.

Задачи урока:

¾   познакомить учащихся с основными способами переработки нефти

¾   расширить знания о применении углеводородов, содержащихся в природных источниках, об использовании в промышленности и народном хозяйстве производных углеводородов

¾   закрепить знания об основных месторождениях нефти в России, в мире

¾   развить умения и навыки исследования прогнозирования новых химических синтезов и их технологических особенностей.

Оборудования и материалы: образцы нефти, стакан с водой, перо, таблица переработки нефти

Девиз урока:

«Нефть не топливо, топить можно и ассигнациями»    Д.И.Менделеев.

План урока:

1.     Вступительное слово учителя

2.     Изучение нового материала

а.     Исторические  сведения

б.    Происхождение нефти

в.     Что такое нефть?

г.     Экологические проблемы, связанные с нефтью

д.    Добыча нефти

е.     Способы переработки нефти

ж.  Бензин: состав и октановое число. Детонация

3.     Подведение итогов урока

Ход урока:

1.     Вступительное слово учителя. Здравствуйте ребята! Тема урока: Нефть и способы ее переработки. А как думаете, какой будет цель урока? (ответы учащихся). Да, действительно, сегодня перед нами стоит задача познакомиться с нефтью, её составом, свойствами и способами переработки.

2.     Актуализация опорных знаний учащихся.

Вопрос: Алканы какого строения вам известны? (линейного, разветвленного строения)

Вопрос: Как вы понимаете значение словосочетания «полиароматические углеводороды»? (Углеводороды, содержащие несколько бензольных колец, соединенных между собой)

Вопрос: Как вы думаете, может ли существовать смесь алканов и полиароматических углеводородов? (да) Правильно, эта смесь называется нефтью.

3.     Изучение нового материала

Ее величают «королевой энергетики» и «царицей плодородия». А ее королевский сан в органической химии – «черное золото». Она создала новую отрасль промышленности – нефтехимию, она же породила ряд экологических проблем. Ребята, как вы думаете, что это за продукт? (ответы детей). Верно, это нефть.

А) Ученики в роли учителя делают сообщения

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.

2) 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.

Б) Рассказ учителя:

Что такое нефть?

Нефть – это природная смесь УВ, в основном алканов линейного и разветвленного строения, содержащих в молекулах от 5 и более атомов углерода, с другими полиароматическими УВ. Нефть нерастворима в воде и её плотность меньше, чем у воды, попадая в неё, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода.

Познакомимся с физическими свойствами нефти.

Лабораторный опыт.  Тема: Физические свойства нефти.

Ход работы:

1. Рассматриваем пробирку с нефтью (масленичная жидкость, темно-бурого цвета, почти черного с характерным запахом.)

Нефть не напоминает по запаху бензин, с чем ассоциируется представление о ней. Аромат нефти придают сопутствующий сероуглерод, остатки растительных и животных организмов.

2. Растворяем нефть в воде (не растворяется, на поверхности образуется пленка). Плотность пленки меньше воды, поэтому она находится на поверхности.

Жидкости не смешиваются. Мы наблюдаем нефтяную плёнку на поверхности воды.

3.Учитель биологии: О влиянии нефти (продолжение лабораторного опыта: обмакивание пера в стакан с водой на поверхности которой пленка из нефти). 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.

Физические свойства:  черная, темно-коричневая или бурая густая маслянистая жидкость со своеобразным запахом (Oil – масло, или нефть), не растворима в воде, плотность у нее меньше плотности воды, поэтому она всплывает на поверхность, препятствуя растворению кислорода в воздухе. Содержит 82-87 % С, 11-14 % Н, 2-6 % О,S,N.

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 ― с помощью танкеров. Во время добычи и транспортировки нефти случаются катастрофы, которые приводят к тяжелейшим последствиям.

 Экологические проблемы, связанные с нефтью

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:

¾     Непосредственное отравление живых организмов с летальным исходом.

¾     Нарушение физиологической активности.

¾     Прямое обволакивание нефтепродуктами живых организмов, отсутствие доступа кислорода. Возникновение болезней, вызванное попаданием в организм углеводородов.

¾     Негативные изменения в среде обитания.

Способы борьбы:

Механические методы: боновые заграждения, которые чаще всего используют для локализации нефтяного пятна; суда-нефтесборщики (скиммеры) самых разных конструкций для очистки портовых акваторий и сбора нефти; землеройную технику для сбора и удаления загрязненного нефтью грунта на берегу и донных отложений на мелководье.

Химические методы:

эмульгаторы – для создания нефтяных эмульсий в целях рассеивания (диспергирования) нефти и ускорения ее разложения; диэмульгаторы – для разрушения устойчивых эмульсий типа «вода в нефти»; плавающие сорбенты – для поглощения и сбора нефти с морской поверхности; отвердители – для придания нефти твердой и желеобразной консистенции; препараты для поджигания нефти на поверхности моря; моющие средства – для смывания нефтяных пленок и покрытий с береговых структур; осаждающие агенты – для затопления нефти на дне моря

Микробиологические методы разрушения нефти – для ускорения процессов разрушения нефти за счет жизнедеятельности водных организмов. Для этого выращивают специальных бактерий, которые способны использовать компоненты нефти в качестве пищи, преобразую её в безвредные продукты жизнедеятельности

Способы переработки нефти: (плакат)

а) физический метод – разделение нефти на составные части - фракции,

б) химический метод – крекинг нефтяных продуктов

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. Фракционная перегонка или ректификация – это физический способ разделения смеси компонентов, основанных на различии их температур кипения. 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 ― малый выход бензина (не более 20 %).

Ректификационные колонны – специальные установки, в которых повторяются циклы испарения и конденсации жидких веществ, содержащихся в нефти.

Фракции нефти:

1)    Ректификационные газы – низкомолек.УВ, пропан, бутан (t < 40°C)

2)    Газолиновая фракция (газолин) - от С₅Н₁₂ до С₁₁Н₂₄ (t = 40 – 200 °C), получают петролейный эфир (темп. кип. = 40-70 °С)

3)    Бензиновая фракция (получ. бензин) темп.кип. = 70 – 120 °С

4)    Лигроиновая фракция  - УВ состава С₈Н₁₈ – С₁₄Н₃₀  (темп.кип. = 150-250 °С)

5)    Керосиновая фракция (керосин) – УВ состава С₁₂Н₂₆ – С₁₈Н₃₈   (180 - 300 °С)

6)    Дизельное топливо УВ состава С₁₃Н₂₈  - С₁₉Н₄₀ (темп.кип. = 200-360°С)

7)    Остаток перегонки нефти – мазут (УВ от С₁₅Н₃₂ до С₅₀Н₁₀₂):

              а) соляровое масло (С₁₈Н₃₈ – С₂₅Н₅₂)

              б) смазочные масла (С₂₈Н₅₈ – С₃₈Н₇₈)

              в) вазелин и парафин – легкоплавкие смеси твердых УВ

              г) гудрон – твердый остаток:  - битум и асфальт (для дорожных покрытий)

Что ценного в бензине? Чем определяется его качество? (детонационной устойчивостью)

Используя  § 8 учебника  (О. Габриеляна)  (стр. 57-58), заполните таблицу:

Продукты фракционной перегонки нефти

         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.

         Упр. 7,стр.62 выполняется учениками в тетради и на доске.

1 баррель (американский, нефтяной) = 42 галлона ≈ 158,988 литров

1 баррель (американский, нефтяной) ≈ 136,4 кг нефти.

1 баррель нефти = 112 долларов.

Рассказ ученика:

«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.

4.     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).  Д.И. Менделеев заметил, что топить печь нефтью все равно, что топить ее ассигнациями.

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.