Поиск альтернативных источников энергии

Интегрированный урок по химии и физике

Цели. Дидактические: создать условия для усвоения нового учебного материала, используя технологии критического мышления, проблемного обучения.

Образовательные: закрепить знания учащихся о свойствах, составе и применении природных углеводородов как основных источников энергии; познакомить учащихся с другими источниками энергии.

Развивающие: развивать мышление учащихся, умение анализировать, сравнивать, обобщать; формировать у них представление о процессе научного познания.

Воспитательные: воспитывать личностные качества, обеспечивающие успешность исполнительской деятельности (активность, увлеченность, наблюдательность); прививать культуру умственного труда.

Ключевые слова (написаны на доске): нефть, природный и попутный газы, уголь, топливо, энергия, ветроэнергетика, гидроэнергетика, приливно-отливная энергетика, геотермальная энергетика, биоэнергетика.

ХОД УРОКА

1. Стадия вызова

По ключевым словам учащиеся определяют тему урока:

“Поиск альтернативных источников энергии” (2 мин.).

Учитель химии. Слова американского писателя Кристиана Боуви: “Немногие умы гибнут от износа, по большей части они ржавеют от неупотребления” станут эпиграфом нашего урока. И это неслучайно. Чем больше человек думает, тем шире становится его кругозор, тем больше явлений он сможет объяснить. А для того, чтобы понять непонятное, надо знать очевидное. Поэтому давайте вспомним все, что мы уже знаем о природных источниках углеводородов.

Основной источник энергии – нефть (47 %). Давайте представим, что мы находимся на самом большом нефтеперерабатывающем заводе. Вы должны знать, каков состав нефти. Какие продукты переработки нефти вам известны?

Ответы учащихся (5–7 мин.).

Учитель химии. Почему при отравлении нефтепродуктами противопоказано принятие жиров, растительного масла, яиц?

Ученик. Углеводороды растворяются в жирах, задерживаются в организме и тем самым дольше оказывают свое разрушающее действие.

Учитель химии. Почему в состав нефти практически не входят алкены, алкины и малые циклы?

Ученик. Перечисленные углеводороды значительно более реакционноспособны, чем предельные углеводороды, содержащиеся в нефти. В реактивы (например, алкены), выпускаемые химической отраслью промышленности, добавляют специальные вещества – стабилизаторы, чтобы предотвратить их полимеризацию и окисление. Что же говорить про нефть, залежи которой существуют геологические отрезки времени? Конечно, данные углеводороды, даже если бы и содержались в нефти, давно превратились бы в менее реакционноспособные вещества (в условиях, при которых залегает нефть, вероятнее всего, полимеризовались).

Учитель химии. Нефть и нефтепродукты могут содержаться в водопроводной воде. Предложите простые способы очистки воды от нефтепродуктов.

Ученик. Кипячение и вымораживание.

Учитель химии. В мире более 80 % геологических запасов топлива органического происхождения приходится на долю угля, который, однако, становится все менее популярным. А известные запасы других топливных ресурсов к 2100 г. по некоторым расчетам будут исчерпаны.

“Невидимое золото”, “незримые сокровища”, “кладовые голубого огня” – эти эпитеты посвящены природному газу и попутному нефтяному газу, который находится в залежах вместе с нефтью, растворен в ней или образует газовую шапку. Природные газы – это смеси легких алканов, содержащие, кроме того, неорганические примеси Н₂S, N₂, CO, He.

Газ – удобное, экономичное, достаточно чистое в экологическом плане топливо. Кроме того – это химическое сырье для получения пластмасс, волокон, удобрений, фреонов, лекарств, каучуков и другого; примерно 17 % природного газа используется как источник энергии.

Каков же состав природного и попутного нефтяного газов? (Диаграммы 1, 2.)

Напишите уравнение реакции горения бытового газа пропана под кастрюлей борща на кухне.

Ученики записывают в тетрадях уравнение реакции.

Учитель химии. На 5–7 мин. вам предлагается тест для подготовки к ЕГЭ по теме “Природные источники углеводородов”.

Проверка осуществляется в виде самоконтроля: учащиеся сравнивают свои ответы с ответами учителя (предложенными им на слайде или каким-либо другим способом), комментируют свои ошибки.

Т е с т

Природные источники углеводородов

1. Установить соответствие.

1) Гудрон. 2) Бензин. 3) Крекинг. 4) Керосин.	а) Летучая фракция нефти.
	б) Содержит углеводороды с числом атомов углерода от 12 до 18.
	в) применяется в дорожном строительстве.
	г) Разбивание длинных цепей углеводородов.

2. Нефть – это:

а) смесь предельных углеводородов;

б) сложная смесь различных углеводородов;

в) смесь насыщенных углеводородов ряда метана, ароматических углеводородов, циклоалканов с примесью некоторых неорганических веществ;

г) смесь газообразных, жидких и твердых углеводородов, которые можно разделить в процессе переработки.

3. Процесс термического разделения нефти на фракции называется:

а) крекинг; б) отгонка; в) риформинг;

г) перегонка; д) пиролиз.

4. Крекинг нефти – это:

а) процесс расщепления тяжелых углеводородов нефти на легкие;

б) термическое разделение нефти на фракции;

в) процесс превращения парафинов и циклопарафинов в ароматические углеводороды;

г) дегидрирование алканов.

5. Из предложенных продуктов переработки органического сырья выберите те, которые получаются при перегонке нефти:

а) бензин; б) коксовый газ; в) керосин;

г) кокс; д) лигроин; е) красители;

ж) газойль; з) минеральные масла; и) мазут;

к) бензол и его гомологи.

1. Природными источниками углеводородов являются:

а) нефтяные газы, нефть, каменный уголь;

б) многие минералы и горные породы;

в) кокс, древесина.

2. Самой тяжелой фракцией нефти является:

а) бензин; б) газойль; в) мазут;

г) лигроин; д) соляровое масло.

3. Какой бензин обладает лучшими качествами?

а) Полученный прямой перегонкой;

б) полученный при каталитическом крекинге;

в) полученный при термическом крекинге.

4. Из предложенных продуктов и материалов выберите те, которые получают из нефти.

а) Стекло; б) пластмассы;

в) синтетические волокна; г) поваренная соль;

д) бумага; е) органические растворители, лаки.

5. Остаток после перегонки нефти – это:

а) керосин; б) газы; в) гудрон; г) бензин.

О т в е т ы. В а р и а н т I: 1 – 1в, 2а, 3г, 4б; 2 – в; 3 – г; 4 – а; 5 – а, в, д, ж, и. В а р и а н т II: 1 – а; 2 – в; 3 – б; 4 – б, в, е; 5 – в.

Учитель химии. Переходим к изучению нового материала. Вам раздали таблицы, в которых вы должны зафиксировать новую информацию, появившиеся вопросы, выводы.

Таблица

2. Стадия осмысления

Учитель физики. По данным экспертов, в начале XXI в. добыча нефти и природного газа начнет сокращаться: их доля в топливно-энергетическом балансе снизится к 2020 г. с 66,6 % до 20 %.

Уже сейчас нефтяной кризис повлиял на быт людей: например, температура в государственных учреждениях Германии не должна превышать 18 °С, на лестницах домов свет зажигается на минуты, которые необходимы человеку для того, чтобы подняться на свой этаж.

Неуклонное увеличение численности населения нашей планеты, беспрецедентно быстрое развитие производства, нарастающее истощение запасов привычных источников энергии (угля хватит на 600 лет, нефти – на 90 лет, газа – на 50 лет, урана – на 27 – 80 лет), наконец, требования к сохранению окружающей среды заставляют людей искать новые источники энергии, располагающие возобновимыми или малоисчерпываемыми запасами. Человечество еще плохо использует возможности получения энергии из природных, практически неисчерпаемых источников: тепла земных недр и океана, энергии океанских и речных течений, приливов, волн, ветра.

Человечество потребляет огромное количество энергии. За год мы сжигаем от 9 до 20 млрд тонн топлива. 78 % всей потребляемой энергии предоставляют полезные ископаемые (34 % – нефть, 25 % – уголь, 19 % – природный газ); 5 % энергии – АЭС; 6 % – ГЭС; 11 % – другие источники энергии.

Обратим внимание на те 11 %, в которые входят возобновляемые источники энергии. Несмотря на их огромный потенциал, использование таких источников осложняется техническими проблемами.

Сейчас в РФ за счет нетрадиционных источников получают 1 % энергии, что, конечно, очень мало. Мы на своем уроке хотим обратить внимание на эту проблему.

Учитель химии. Альтернативные источники энергии уже и сейчас имеются и успешно используются для блага людей. Человечество в течение тысячелетий довольно интенсивно пользовалось энергией ветра для мореплавания, помола зерна, подъема воды и многого другого. В XX в. использование ветра практически прекратилось в связи с появлением тепловых двигателей и электромоторов. Однако в связи с истощением доступных запасов нефти и загрязнением окружающей среды интерес к ветроэнергетике в последние годы возродился и, вероятнее всего, будет расти. Сегодня в Дании действует более 2000 ветроэнергоустановок, и она является основным экспортером этого вида генераторов. в Европе лидерами по использованию ветроэнергетики являются Испания и Германия.

Швеция к 2020 г. полностью планирует отказаться от органических источников топлива и перейти на энергию, получаемую от возобновляемых источников.

Еще в конце 1920-х гг. человечество начало использовать и гидротермальную энергию, т.е. энергию, источником которой служит разница температур воды, например морской воды из верхних и нижних горизонтов.

Благоприятны условия для использования гидротермальной энергии на Кубе. В одной из здешних бухт большие глубины со значительным перепадом температур воды подходят к самому берегу. Насосы накачивают воду с поверхности моря (она имеет температуру около 27 °C) в испаритель. В испарителе с частичным вакуумированием образуется пониженное давление, в результате чего вода превращается в пар при температуре около 30 °C. Полученный пар вращает лопасти турбин, соединенных с генераторами. Отработанный пар попадает в конденсатор, для охлаждения которого подают воду с глубины (ее температура 14 °С).

В США, Японии, Франции и некоторых других странах ведут активные работы по программе “Преобразование термальной энергии океана” (“ОТЕК”).

Первая опытная американская гидротермальная станция системы “ОТЕК” мощностью 50 кВт работала вблизи Гавайских островов в Тихом океане с 1979 по 1981 г.

В 1981 г. вошла в строй вторая опытная американская термоградиентная установка мощностью уже около 1000 кВт.

Бразилия активно использует сахарный тростник, и через 5 лет планируется 80 % транспорта перевести на этанол, который из этого тростника и добывается. Великобритания использует энергию ветра и волн, и к 2012 г. 10 % энергии страны будут получать из возобновляемых источников, ведь энергии ветра и волн гарантированно хватит на гораздо более долгий срок, чем органических источников энергии.

Наличие тех или иных возобновляемых источников энергии зависит от географических и природных факторов, которые различны в каждой стране. К примеру, энергия солнца и ветра больше представлена в Испании, чем в Австрии. В свою очередь, многочисленные реки и горы на территории Австрии больше подходят для строительства гидроэлектростанций.

Как видим, Европа, и не только она, доказала, что использовать альтернативные источники энергии не только необходимо, но и выгодно. Их нужно развивать, за ними будущее.

Давайте заслушаем выступления ваших товарищей о том, какие альтернативные источники энергии используют или предлагают к использованию в различных странах мира.

1-й ученик. Ангола займется производством биотоплива из сахарного тростника.

В Анголе после тридцатилетнего перерыва вновь начнут выращивать сахарный тростник. Отходы сахарного производства решено использовать для получения электроэнергии.

2-й ученик. В Минрегионразвития 8 сентября 2009 г. прошло первое заседание межведомственной рабочей группы по разработке и реализации проекта использования низкокачественной древесины и отходов лесопереработки в производстве биотоплива в Архангельской области.

3-й ученик. В Норвегии построили первую в мире плавучую прибрежную полнофункциональную ветровую турбину. Турбина Hywind, весящая 5300 т, имеет высоту 65 м. Она располагается в 10 километрах от острова Кармой, что неподалеку от юго-западного побережья страны.

4-й ученик. “Бракованные” арбузы могут стать источником биотоплива. Как пишут американские ученые в статье, опубликованной в журнале “Biotechnology for Biofuels”, сок оставленных на бахче из-за косметических дефектов арбузов может стать важным источником биотоплива – горючего на основе спиртов из естественного сырья, которым ради снижения вредных выбросов пытаются заменить автомобильный бензин.

5-й ученик. Бабушка американского президента Барака Обамы примкнула к молодежной экологической программе Greenpeace “Солнечное поколение”, популяризирующей использование солнечной энергии.

6-й ученик. Электричество из асфальта: нанопокрытие превратит любую поверхность в солнечную батарею. Идея заключается в том, что, к примеру, поверхности тротуаров и автодорог могут быть заполнены молекулами пигмента, который собирает солнечный свет и преобразует его в “чистое” электричество.

Учитель физики. Энергетическая проблема является одной из самых острых. Бурно развивающаяся экономика в XXI в. требует все больше энергозатрат.

Давайте выделим основные аспекты необходимости скорейшего перехода к альтернативным источникам энергии.

• Глобально-экологический. Cегодня общеизвестен и доказан факт пагубного влияния на окружающую среду традиционных энергодобывающих технологий, их применение неизбежно ведет к катастрофическому изменению климата уже в первые десятилетия XXI в.

• Политический. Та страна, которая первой в полной мере освоит альтернативную энергетику, способна претендовать на мировое первенство и фактически диктовать цены на традиционные топливные ресурсы.

• Экономический. Переход на альтернативные технологии в энергетике позволит сохранить топливные ресурсы страны для переработки в химической и других отраслях промышленности. Кроме того, цены на альтернативную энергию снижаются, на традиционную – постоянно растут.

• Социальный. Численность и плотность населения постоянно растут. При этом трудно найти районы для строительства АЭС, ГРЭС, где производство энергии было бы рентабельно и безопасно для окружающей среды. Общеизвестны факты роста онкологических и других тяжелых заболеваний в районах расположения АЭС, крупных ГРЭС, предприятий топливно-энергетического комплекса, хорошо известен вред, наносимый гигантскими равнинными ГЭС. Все это увеличивает социальную напряженность.

• Эволюционно-исторический. В связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также экспоненциальным нарастанием катастрофических изменений в атмосфере и биосфере планеты существующая традиционная энергетика представляется тупиковой; для эволюционного развития общества необходимо немедленно начать постепенный переход на альтернативные источники энергии.

Учитель химии. Наступает период энергосберегающих технологий и всемирной экономии энергии. Какие вы можете предложить пути энергосбережения?

Ответы учащихся:

– выпуск более экономичных автомашин;

– усовершенствования в коммунальном хозяйстве;

– структурные изменения в экономике (рост доли менее энергоемких отраслей);

– развитие атомной энергетики;

– использование неисчерпаемых природных ресурсов (солнечная радиация, тепло Земли и другие).

Учитель химии. Какие же перспективы мы видим?

В течение ближайших 30–40 лет, возможно, стабилизируется рост потребления, увеличится доля новых технологий для производства энергии, возрастет эффективность использования, увеличится доля альтернативных источников энергии.

Фотографии для оформления урока взяты с интернет-сайтов:

http://img-2007-12.photosight.ru/25/2474982.jpg;  

http://2krota.ru/uploads/posts/2008–09/1221665312_pg3ws017.jpg;

http://www.turklub.org/fotos/9088.jpg;

http://www.abc.net.au/reslib/200707/r163285_601529.jpg.

С.В.ЛАРИНА,
учитель химии
средней школы № 26
с углубленным изучением
отдельных предметов
(г. Нижнекамск, Республика Татарстан)