SCENARIUSZ ZAJĘĆ „CZARNE ZŁOTO” CHEMIA, IV ETAP EDUKACYJNY
Temat: Czarne złoto.
Treści kształcenia:
Podstawa programowa: Punkt 5.2. [uczeń]: opisuje przebieg destylacji ropy naftowej i węgla kamiennego, wymienia nazwy produktów tych procesów i uzasadnia ich zastosowania.
Cele zoperacjonalizowane
UCZEŃ
podaje nazwy produktów destylacji węgla
kamiennego i ropy naftowej;
zna kolejność odbierania poszczególnych frakcji ropy
naftowej;
wymienia zastosowania poszczególnych produktów
z destylacji węgla oraz frakcji z destylacji ropy
naftowej;
opisuje przebieg procesów destylacji węgla
kamiennego i ropy naftowej;
wyjaśnia pojęcia:
destylacja, rafinacja, rektyfikacja, zgazowanie,
kolumna rektyfikacyjna, bateria koksownicza.
Nabywane umiejętności
UCZEŃ
potrafi poprawnie powiązać zastosowanie
poszczególnych produktów z destylacji węgla oraz frakcji
z destylacji ropy naftowej z ich właściwościami;
prawidłowo dobiera informacje w powiązaniu z
wymogami zadania;
sprawnie wyszukuje informacje z prezentacji;
uzasadnia potrzebę przeróbki omawianych surowców chemicznych.
Kompetencje kluczowe
porozumiewanie się w języku ojczystym
myślenie przyczynowo - skutkowe i podstawowe kompetencje naukowo-techniczne
umiejętność uczenia się
Etapy lekcji 1) Wstęp:
Tradycyjne surowce energetyczne stosowane jako paliwa to ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny. Nauczyciel informuje uczniów, że na dzisiejszych zajęciach poznają procesy destylacji węgla kamiennego i ropy naftowej.
2) Przebieg zajęć:
Nauczyciel informuje uczniów, że węgiel kamienny jest w zasadzie trzecim paliwem i źródłem energii na świecie, po gazie ziemnym i ropie naftowej. Pyta uczniów, co można zrobić z węglem kamiennym?, jak go wykorzystać?, co się otrzymuje w wyniku jego przeróbki?, w jakim zakładzie zachodzą takie procesy? itd. – prowadząc z uczniami dyskusję kierowaną przekazuje im informacje, że węgiel można spalać bezpośrednio lub poddać procesowi tzw.
suchej destylacji, zwanej też pirogenizacją węgla, koksowaniem, odgazowaniem czy pirolizą. Proces prowadzi się w zakładach przemysłu koksowniczego, czyli koksowniach. Jest to najważniejsza metoda przeróbki węgla do 4 ważnych przemysłowych produktów: stałego koksu, gazu koksowniczego (węglowy, zwany świetlnym), wody pogazowej i smoły pogazowej (węglowej). Drugi proces przeróbki węgla to tzw. zgazowanie, w wyniku czego otrzymuje się gaz syntezowy. Obecnie jednak częstszą metodą otrzymywania mieszaniny CO i H2 – wspomnianego gazu do syntez chemicznych jest konwersja metanu i pary wodnej.
Proces suchej destylacji węgla kamiennego polega na jego rozkładzie w wyniku ogrzewania w temperaturze rzędu 1000 - 1200°C bez dostępu powietrza w specjalnych bateriach koksowniczych. Jej budowa w połączeniu z czasem i tempem ogrzewania węgla, a także pochodzenie węgla, jego wilgotność i skład chemiczny (w tym zasiarczenie) wpływają na to, że proporcje pomiędzy poszczególnymi produktami pirogenizacji są różne.
Nauczyciel proponuje uczniom w grupach uzupełnienie odpowiednich rubryk w proponowanych przez autorkę tabelach „destylacja rozkładowej węgla kamiennego” przy wykorzystaniu klejów i rozsypanki przygotowanej przez nauczyciela (w załączeniu do scenariusza tabela wypełniona – uczniowie w grupach otrzymują tabele puste, najlepiej z okienkami o jednakowej wielkości, oraz wypełnienia do wklejenia)
Produkt
destylacji ropy naftowej w kolejności
odbierania → Frakcja
Temperatura [°C] wrzenia pod
ciśnieniem atmosferyczn ym
Zastosowa nie
Liczba atomów
węgla w
cząsteczkach poszczególnyc h frakcji
1.
2.
3.
4.
5.
a) b) c)
Po wykonaniu ćwiczenia nauczyciel zapoznaje uczniów z destylacją ropy naftowej – proponuje obejrzenie filmu nt.
destylacji ropy naftowej.
Nauczyciel zwraca uwagę, że ropa naftowa jest palna, stąd w doświadczeniu ilustrującym proces zachodzący na skalę przemysłową w instalacjach rurowo–wieżowych, nie wolno stosować źródeł ciepła z otwartym ogniem.
Nauczyciel pyta uczniów, gdzie prowadzi się na skalę przemysłową taki proces przeróbki ropy naftowej? Czym jest rafinacja ropy naftowej? Czy potrafią wyjaśnić pojęcia:
destylacji (pojęcie poznane w klasie pierwszej gimnazjum ) i rektyfikacji? W toku rozmowy z uczniami nauczyciel zapoznaje ich z budową rafinerii i wyjaśnia wskazane pojęcia kluczowe.
Zasadniczy element rafinerii/zakładu petrochemicznego to wysoka metalowa kolumna rektyfikacyjna (destylacyjna), w której ropę poddaje się procesowi tzw. destylacji frakcjonowanej.
Rafinacja – to inaczej oczyszczanie ropy.
Destylacja – to rozdział na frakcje, czyli grupy składników o zbliżonych temperaturach wrzenia tzn. w pewnych zakresach wartości temperaturowych. Warto przy tym pamiętać o tym, że poszczególne frakcje ropy naftowej pochodzącej z różnych złóż będą się od siebie różnić.
Rektyfikacja zaś to proces wielokrotnej destylacji. Frakcje otrzymane podczas destylacji frakcjonowanej ropy naftowej są dalej rozdzielane na kolejne frakcje podczas procesów destylacji próżniowej. Dzięki temu otrzymuje się produkty o coraz mniejszym zakresie temperatur wrzenia.
Dodatkowo niektóre frakcje przerabia się dalej chemicznie na produkty o pożądanych właściwościach. Pary ropy naftowej przemieszczają się do góry kolumny – na poszczególnych półkach skraplają się węglowodory o temperaturach wrzenia wyższych jak te, panujące na danej półce i odparowują te o temperaturach niższych.
Ważne elementy rafinerii to również chłodnice, pompy i wymienniki ciepła. Ropę naftową po wydobyciu, a przed wprowadzeniem do kolumny rektyfikacyjnej, poddaje się sedymentacji i filtracji (oczyszczenie), suszeniu i odsiarczeniu.
Nauczyciel przedstawia uczniom prezentację nt.
zastosowania poszczególnych frakcji ropy naftowej, omawia poszczególne slajdy – uczniowie mają za zadanie wypełnić karty pracy. Nauczyciel uprzedza, że uczniowie nie uzupełniają ostatniej kolumny, dotyczącej liczby atomów węgla w cząsteczkach poszczególnych frakcji (będzie to ich zadanie domowe).
3) Podsumowanie:
Nauczyciel przypomina poszczególne produkty z destylacji węgla kamiennego i ropy naftowej oraz ich zastosowania.
Po sprawdzeniu i ew. skorygowaniu treści wypełnionych kart pracy indywidualnej nauczyciel poleca uzupełnienie ostatniej kolumny (tej dotyczącej liczby atomów węgla w
cząsteczkach poszczególnych frakcji) jako ich zadania domowego.
Środki dydaktyczne
kleje w sztyfcie dla każdej grupy (opis w scenariuszu)
komputery z dostępem do Internetu
karty pracy (na grupę i dla każdego ucznia – opis w scenariuszu)
film „Destylacja ropy naftowej” (zasób nr 1)
prezentacja „Zastosowania ropy naftowej” (zasób nr 2)
Metody nauczania
pogadanka
dyskusja kierowana
praca z tekstem przewodnim
wykład ilustrowany Formy pracy
zbiorowa
indywidualna
Zadanie dla chętnych
1. Dlaczego poddawanie węgla destylacji jest korzystniejsze niż jego spalenie?
2. Wyjaśnij przykładowe zdanie: „Liczba oktanowa benzyny wynosi 97”.
3. Jaki wpływ na środowisko przyrodnicze mają procesy przeróbki paliw kopalnych?
4. Oblicz masę tlenku węgla (VI) powstałego w wyniku spalenia 22 ton 85% węgla kamiennego.
5. Dlaczego ropa naftowa unosi się na powierzchni wody?
Dodatkowe propozycje wykorzystania
Multimedialne zasoby edukacyjne wykorzystywane w tym scenariuszu nadają się również do wykorzystania na IV etapie edukacyjnym w zakresie nauczania geografii.
Załącznik do scenariusza „Czarne złoto”
Tabela: „Destylacja rozkładowa węgla kamiennego”
Produkt destyla cji
Stan
skupienia i właściwości fizyczne
Skład
chemiczny
Zastosowanie
Koks
ciało stałe, szaroczarne
; porowate, twarde, o dużej
wytrzymało ści
mechaniczn ej,
ilość
otrzymywan ej energii ze spalenia to ponad 30 MJ / kg
może mieć
różny skład, ale główny składnik
to węgiel
pierwiastkowy (95-98%), a
także sole
mineralne i woda
po spaleniu pozostaje popiół (zawierający zanieczyszczeni a
nieorganiczne) i tlenek siarki (IV) w ilościach mniejszych niż ze spalania węgla
surowiec chemiczny np.
do produkcji karbidu
paliwo (materiał
opałowy) w piecach hutniczych (przy wytopie żelaza),
elektrociepłowniach, kotłowniach,
gospodarstwach domowych,
reduktor rud metali w hutnictwie,
substrat do
otrzymywania gazu syntezowego (CO + H2) – potem przetwarzanego na benzynę
Smoła pogazo wa
ciało ciekłe, czarne,
maziste, o charakterys tycznym zapachu w temperaturz e pokojowej
mieszanina
ponad 350
organicznych związków chemicznych węgla
(zwłaszcza
WWA jak
naftalen czy antracen oraz toluen, ksyleny, benzen)
produkt ten jest
poddawany dalszej destylacji, w wyniku której otrzymuje się produkty do syntez
leków, lakierów,
barwników, tworzyw sztucznych,
rozpuszczalników,
kosmetyków, materiałów wybuchowych, substancji zapachowych, środków
ochrony roślin,
materiałów
impregnacyjnych
po destylacji pozostaje tzw. pak do produkcji
smoły i lepiku
dachowego
Woda pogazo
wa
ciało ciekłe, roztwór NH3 i
soli amonowych surowiec do produkcji nawozów amonowych, amoniaku i (NH4)2SO4 (po neutralizacji kwasem siarkowym)
Gaz koksow niczy
ciało gazowe;
podczas jego spalania otrzymuje się około 40 MJ energii / kg
mieszanina
gazów takich jak H2, CH4, COx, węglowodorów;
surowy zawiera do 10% CO, 50- 60% H2, 25-
30%CH4 i
dodatkowo 10- 15% NH3, H2S, HCN, CO2 – są to w większości gazy tworzące mieszaniny
wybuchowe z powietrzem, oczyszczony to około 48-50%
H2, 30-33% CO, 2-4%
węglowodory
dawniej stosowany do oświetlania ulic,
obecnie stosowany jako paliwo kierowane do sieci po usunięciu składników niepalnych lub do ogrzewania baterii koksowniczych,
substrat do syntez
chemicznych, np.
produkcji benzyn czy do produkcji amoniaku
