Природные источники углеводородов (использование кейс-метода)

Урок химии в 11-м классе (профильный  уровень)

Урок обобщения  по теме «Основные источники углеводородов»

Тип урока: комбинированный урок, урок проверки ранее усвоенного материала и усвоения новых знаний.

Основные методы и формы проведения урока: кейс-метод, групповая работа, дискуссия.

Цели урока:

повторить, углубить и расширить знания учащихся об источниках углеводородов и их значении в энергетике страны, сформировать представления об основных видах топлива;

формировать у учащихся элементы экологического мышления, способствовать экологизации их сознания;

развивать у учащихся способность высказывать свои мысли, умение выслушать альтернативную точку зрения, умения работать в команде, применять на практике теоретический материал, развивать навыки решения проблем.

 Структура  урока:

І. Организация класса.

ІІ. Основная часть урока.

     1) введение в кейс;

     2) анализ ситуации («мозговой штурм» в рамках малой группы);

     3) презентация решений;

     4) общая дискуссия;

ІІІ. Подведение итогов.

Ход урока

І. Организация класса.

ІІ. Основная часть урока.

     1) введение в кейс

Фабула (рассказ учителя)

      11 марта 2011 года в результате сильнейшего за время наблюдения землетрясения в Японии произошла радиационная авария с локальными последствиями, по заявлению японских авторитетных лиц — 4-го уровня в момент начала аварии по шкале INES. Впоследствии степень тяжести аварии была повышена до 5 уровня (18 марта, авария с широкими последствиями), а затем до 7 уровня (12 апреля, крупная авария) по шкале INES.

      В начале октября 2011 года стало известно, что температуры вокруг реакторов № 1, № 2 и № 3 находятся на уровнях ниже 100 градусов по Цельсию, и правительство Японии совместно с компанией «Токио Дэнрёку» предпринимают меры по достижению к концу 2011 года состояния холодной остановки повреждённых реакторов. Также к концу октября будет завершено покрытие здания реактора № 1 гигантским чехлом из полиэстера. И далее планируется установить чехлы на реакторах № 3 и № 4, которые также получили повреждения. По состоянию на 16 декабря 2011 реакторы с 1 по 4 находятся в состоянии холодной остановки, реакторы 5 и 6 в том же состоянии с 20 марта 2011.

     Это событие напомнило людям о Чернобыльской трагедии в Украине.

26 апреля 1986 года Чернобыльская АЭС – первенец атомной энергетики Украины – стала символом крупнейшей в истории человечества техногенной катастрофы. На четвертом энергоблоке станции произошел мощный взрыв, эквивалентный 500 хиросимским бомбам. Это событие в корне изменило жизни миллионов людей. В результате аварии на АЭС произошло радиоактивное заражение в радиусе 30 километров.

      Во время взрыва произошёл выброс в окружающую среду радиоактивных веществ, в том числе изотопов урана, плутония, йода-131 (период полураспада — 8 дней), цезия-134 (период полураспада — 2 года), цезия-137 (период полураспада — 30,17 лет), стронция-90 (период полураспада — 28 лет). В общей сложности в окружающую среду попали 520 опасных радионуклидов, а общее количество радиации составило, по официальным данным, 50 млн кюри.

      Взрыв реактора на Чернобыльской АЭС нанес колоссальный ущерб Украине, России и Белоруссии. Более 400 тысяч человек были переселены с зараженных территорий. Сотни тысяч людей ощутили на себе воздействие радиационного заражения. Стали массовыми случаи лейкемии и рака щитовидной железы, плюс стали очень распространенными разнообразные сердечно-сосудистые заболевания. По данным 2006 г. (независимая международная общественная организация «Гринпис»), общий экономический ущерб и затраты на устранение последствий аварии составляют примерно 550 млрд. долларов.

      Японские «Фукусима-1», «Фукусима-2» и Чернобыльская трагедия серьезно подорвали доверие к «мирному атому» во многих странах мира. По прогнозам некоторых исследователей  у ядерной энергетики нет будущего.

      В разных странах по-разному относятся к АЭС.  Лидером в использовании энергии «мирного атома» является Франция.  Там на АЭС вырабатывается около 4/5 всей электроэнергии.  Германия, наоборот, приняла решение к 2020 году закрыть все АЭС на территории страны.  В США после нескольких лет спада в ядерной энергетике она вновь объявлена одним из главных направлений энергетической стратегии.  В Австрии народ на общенациональном референдуме принял решения не вводить в эксплуатацию единственную построенную там атомную станцию.  Дания полностью отказалась от применения атомной энергии.

      Действительно ли у ядерной энергетики нет будущего?

      Чтобы обсудить этот вопрос, вначале необходимо изучить содержание кейса, акцентируя внимание на следующие вопросы:

Вопросы.

     1. Какие традиционные источники энергии  вы знаете?

- какие источники энергии относятся к невозобновляемым, а какие - к возобновляемым, к традиционным  и нетрадиционным?

- какой вид топлива был первый в истории человечества?

- с чем была связана необходимость перехода на такие виды топлива как уголь, нефть, газ, ядерное топливо?

     2. В чем вы видите преимущества использования ядерной энергии по сравнению с другими традиционными источниками энергии?

     3. В чем заключается недостатки использования ядерной энергии?

     4. Какие альтернативные нетрадиционные источники энергии существуют на современном этапе. В чем их преимущества?

     5. Что вы знаете об источниках энергии будущего?

      Работа учащихся в малых группах с содержанием кейса.

Содержание кейса

Еще наши далекие пещерные предки обогревались у костров. Пламя служило также для освещения и для приготовления пищи. Огонь поддерживали дровами, и именно они, эти куски дерева, долгое время были основным видом топлива для человечества.

При помощи дров жители Земли решали многие проблемы: обогревались, готовили пищу, даже начали плавить металлы (правда, для этого дрова сначала превращали в древесный уголь).

Но проходили столетия, людей на планете становилось все больше, а лесов – все меньше. И в XIX веке Англию – самую передовую промышленную страну того времени – постиг топливный кризис. Дров на острове перестало хватать для нужд населения и промышленности. Нужно было срочно искать им замену.
      Поиски, впрочем, были недолгими. О том, что прекрасно могут гореть также уголь и нефть, люди знали издавна.

 В той же Англии, а затем и в других странах мира со временем научились топить углем еще лучше, чем дровами. Конечно, это вовсе не значило, что о дровах тотчас забыли. Они ведь нужны даже для того, что бы разжечь уголь. А в тех местах, где лесов было в достатке, дрова по-прежнему широко использовались. Так, в России начала 20 века дрова давали более половины всей энергии, уголь - одну четвертую часть, шестую - нефть.
«Один сумасшедший предлагает освещать Лондон – чем бы вы думали? Представьте себе – дымом!..» - так писал Вальтер Скотт в письме одному из своих друзей, не подозревая, что освещение дымом, а точнее газом, вполне возможно, и вслед за Лондоном рожки появятся вскоре в Париже, Нью-Йорке, Берлине, Петербурге и Москве. 

В те времена светильный газ получали переработкой каменного угля. Но уже в начале 20 века поняли, что тот газ, который выходит из недр Земли, горит ничуть не хуже. Лишнее тому доказательство – газовые плиты, стоящие во многих домах и по сей день.

В 1910 году, как свидетельствует статистика, большую часть топлива в мире составлял уже уголь – 65%. За ним шли дрова, и на последнем месте стояла нефть. Ее доля в мировом топливном балансе составляла всего 3%, а природный газ вообще не использовался.
      Еще через четверть века доля каменного угля снизилась до половины, в то время как доля нефти в топливном балансе возросла до 15%. Во многих странах мира начали использовать и природный газ.
      Еще более разительные перемены произошли в СССР. Ежегодно угольная промышленность давала прирост более 100%. С 1930 по 1940 год добыча угля возросла в три раза: с 70 до 220 миллионов тонн в год. Подобные темпы сохранились и в первые послевоенные годы. За пятилетку с 1950 по 1955 годы был достигнут прирост в 170 миллионов тонн.
      В 70-е годы первое место в топливном балансе уверенно заняла нефть – около 35%. Доля каменного угля снизилась до 30%. На третьем месте оказался природный газ – около 20%. Затем шли дрова – 10%. Прочие источники энергии, в том числе электростанции на воде и на атомной энергии, давали всего 5% энергии.

В наши дни первые места занимают нефть и газ – они обеспечивают более две трети топливного баланса.  А все дело в том, что нефть и газ более удобны в эксплуатации. Вот только один пример: уголь в топку бросали лопатами чумазые кочегары; жидкое же и газообразное топлива легко подавать при помощи насосов по трубам, а жечь – форсунками и горелками.
      Эти удобства особенно видны на транспорте. На сегодняшний день практически вся потребность в топливе судов и тепловозов, самолетов и автомобилей, тракторов и мотоциклов обеспечивается за счет нефти и газа.
      И такая тенденция, по всей вероятности, сохранится еще долго. Потому что нефть с газом горят лучше любого другого топлива. Так при сгорании 1 кг нефти выделяется 46 тыс кДж, при сгорании 1м3 газа – около 38 тыс. кДж, в то время как 1 кг угля дает в лучшем случае только 29 тыс. кДж. Говоря другими словами, теплота сгорания нефти примерно в 1,5 раза выше, чем у угля, и в два с лишним раза превышает теплоту сгорания дров. И с этим тоже приходится считаться.

      Однако, что делать, когда закончатся нефть, газ и уголь?

      Эксперты предупреждают, что через 100-150 лет нефть, газ и уголь, используемые как топливо для большинства электростанций, закончатся, и электричество станет роскошью. Что же в таком случае делать человечеству? Выходом может стать альтернативная энергетика.

       Вариантов нестандартного получения энергии за счет возобновляемых источников великое множество. В качестве одной из альтернатив, которая могла бы прийти на смену нефти и газу, раньше называлась атомная энергия.

      Однако после аварии на "Фукусиме", приведшей к значительному выбросу смертельной радиации, многие страны задумались об опасности мирного атома.

      Другим вариантом замены углеводородов могли бы стать крупные гидроэлектростанции. Но и здесь есть проблема - их потенциал ограничен, и построить их можно далеко не везде. Получается, что ГЭС могут обеспечивать электричеством только небольшое количество людей.

      В результате интерес мирового сообщества сосредоточился на нетрадиционных источниках энергии. В число перспективных направлений вошли солнечная энергетика, ветряная, биотопливная, а также мини-гидроэлектростанции, в том числе на основе геотермальной энергии и работающие на силе прилива.

      Главными преимуществами альтернативных технологий перед нефтью и газом является высокая экологическая безопасность. При их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы.

      Отсутствуют и экологические издержки, связанные с добычей, переработкой, транспортировкой и утилизацией топлива. Кроме того, альтернативные технологии позволяют обеспечить энергией регионы, куда транспортировка традиционных источников затруднена.

      К концу 20 века появилось самое совершенное топливо – атом. В отличие от нефти, газа и угля атом относится к неисчерпаемым ресурсам.

      Применение ядерной энергии в современном мире оказывается настолько важным, что если бы мы завтра проснулись, а энергия ядерной реакции исчезла, мир, таким как мы его знаем, пожалуй, перестал бы существовать. Мирное использование источников ядерной энергии составляет основу промышленного производства и жизни таких стран, как Франция и Япония, Германия и Великобритания, США и Россия. И если две последние страны еще в состоянии заместить ядерные источники энергии на тепловые станции, то для Франции, или Японии это попросту невозможно.

      Во многих странах уже появились атомные электростанции (АЭС), которые дешевле чем дизель электростанции. Дело в том, что атом является еще и очень дешевым видом топлива. Основные затраты уходят только на строительство АЭС, само же обслуживание станции обходится недорого. Атомные электростанции, в отличие от тепловых и гидравлических, оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, находясь в обычном рабочем состоянии, себестоимость энергии невысока(особенно после того, как станция окупит себя).  Поэтому на данный момент энергия атома сейчас самый выгодный вид энергии.

      Атомная энергетика - имеет будущее и особенно в тех районах, где нет других источников энергии. Особенно это важно в труднодоступных местах  севера, где нет крупных рек и возможности строить ТЭС и ГЭС.

      В отличие от тепловых электростанций, атомные не зависят от источников топлива. Например, кол-во тепла от 1 грамма урана равно теплоте сгорания 2,5 тонн нефти. АЭС не имеют нужды в транспорте (ТЭС нужно подвозить уголь, мазут или газ, ГЭС стоят только на крупных реках). АЭС имеют больше возможностей в производстве энергии. При необходимости можно просто достроить реактор. Но АЭС дороги в постройке, требуют квалификации работников и точно настроенных приборов. В отличие от ТЭЦ, АЭС в городе не построить, и использовать как котельные нельзя.

      Использование атомной энергии создает много проблем. В основном все эти проблемы связаны с тем, что используя себе на благо энергию связи атомного ядра (которую мы и называем ядерной энергией), человек получает существенное зло в виде высокорадиоактивных отходов, которые нельзя просто выбросить. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.

      Очевидно, что атомная энергия сегодня нужна лишь промышленно развитым странам. То есть, основное применение мирная ядерная энергия находит в основном, на таких объектах, как заводы, перерабатывающие предприятия, и т.п. Именно энергоемкие производства, удаленные от источников дешевой электроэнергии (вроде гидроэлектростанций) задействуют ядерные станции для обеспечения и развития своих внутренних процессов.

      Существует несколько основных проблем, связанных с ядерной энергетикой, прежде всего — опасность загрязнения окружающей среды. На сегодняшний день нигде в мире не решена, и возможно является фундаментально нерешаемой, проблема захоронения радиоактивных отходов. Отходы от атомных источников энергии требуется перерабатывать, перевозить, захоранивать, и хранить продолжительное время в безопасных условиях.  Радиоактивные отходы при закапывании отравляют почву и разносятся грунтовыми водами. Жидкие и газовые - воду и воздух соответственно. Хранить их можно только в специальных хранилищах, каковых мало.

      При аварии на АЭС в воздух, воду и почву будет выброшено столько радиоактивных изотопов, что последствия будут ужасными , даже если она не взорвется, как ядерная бомба.

       Аграрные регионы и города не слишком нуждаются в атомной энергии. Ее вполне можно заместить тепловыми и другими станциями. Получается, что овладение, получение, развитие, производство и использование ядерной энергии по большей части направлено на удовлетворение наших потребностей в промышленной продукции. Посмотрим, что это за производства: автомобильная промышленность, военные производства, металлургия, химическая промышленность, нефтегазовый комплекс, и т.д.

      А для всего этого нужна энергия. Поэтому кто бы что ни говорил, до тех пор, пока не будет запущен в серию первый промышленный реактор термоядерного синтеза, атомная энергетика будет только развиваться.

http://top.rbc.ru/economics/05/10/2011/618710.shtml

http://top.rbc.ru/economics/05/10/2011/618710.shtml

http://www.calend.ru/event/5049/  © Calend.ru

Решить задачу:

   Известно, что семья из трех человек за месяц расходует в среднем около 200 кВт  электроэнергии. Вычислите, сколько на это потребуется урана и природного газа, если теплота сгорания 1г урана равна 115 000000 кДж, 1 кг метана – 55400 кДж  (1 кВт – 3600 кДж).

    2) анализ ситуации («мозговой штурм» в рамках малой группы);

    3) презентация решений;

    4) общая дискуссия;

ІІІ. Подведение итогов.