Альтернативна воднева енергетика як елемент шкільного розділу хімії Фізико-хімічні

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Альтернативна воднева енергетика як

елемент шкільного розділу хімії: «Фізико-хімічні властивості водню»

ЗМІСТ

Введення

Глава 1. ОСНОВИ створення водневої енергетики

1.1. Основні концепції надійності і екологічної безпеки об'єктів енергетики

1.2 Енергетика сьогодні

1.2.1 Енергетичні потреби, ресурси і можливості

1.2.2 Екологічні проблеми енергетики та шляхи їх вирішення

1.2.2.1 Парниковий ефект

1.2.2.2.Загрязненіе атмосфери

1.2.2.3 Озонові «дірки»

1.3 Особливості альтернативної водневої енергетики

1.3.1 Призначення, основні функціональні показники

1.3.2 Область застосування

1.3.3.Основанія для вибору

1.3.4 Стан та тенденції розвитку

1.3.5 Вплив водневої енергетики на навколишнє середовище

1.3.6 Додаткові відомості про застосування водню

в побутових цілях

1.3.6 Шляхи розвитку водневої енергетики

1.3.7 Піроліз води

Глава 2. ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ ПРОБЛЕМИ СТВОРЕННЯ

Воднева ЕНЕРГЕТИКИ

2.1 Повідомлення 1. Суть водневої енергетики

2.2 Повідомлення 2. Виконується учнями, на основі матеріалів,

наданих учителем

2.3 Повідомлення 3. Виконується учнями, на основі матеріалів, наданих учителем

2.4 Повідомлення 4. Виконується учителем

2.5 Повідомлення 5. Виконується учнями, на основі матеріалів, наданих учителем

2.6.Сообщеніе 6. Виконується учнями

2.7 Повідомлення 7. Виконується учителем при завершенні вивчення теми

Глава 3. ОСОБЛИВОСТІ ВИВЧЕННЯ Хімічні елементи в СЕРЕДНЬОЇ ШКОЛИ (НА ПРИКЛАДІ ВОДНЮ)

3.1. Урок 1. Водень

3.2. Урок 2. Властивості і застосування водню

3. 3. Урок 3. Практичне заняття

3. 4. Урок 4. Контрольна робота

ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ЕКСПЕРИМЕНТУ

ВИСНОВОК

ВИСНОВКИ

ВСТУП

Актуальність обраної теми обумовлена ​​тим, що питання про пошук альтернативних видів палива для захисту навколишнього середовища від негативних впливів викликає інтерес. А інтерес учнів до теми - це інструмент педагога, що дозволяє набагато полегшити засвоєння матеріалу і підвищити якість знань. До того ж теоретичний аналіз проблеми і розробка заходів на тему «Альтернативна воднева енергетика» з використанням нових методичних прийомів дозволить вирішувати завдання природничої освіти, а саме формування екологічного та наукового світогляду [1]. Крім того, зростання значущості екологічних проблем вимагає постійно шукати шляхи, додаткові резерви підвищення рівня викладання природничо-наукових дисциплін, що дозволяє формувати правильне ставлення до навколишнього середовища і розуміти закономірності розвитку природи.

Іс ходячи з актуальності дослідження, основною метою даної дипломної роботи було:

Розгляд можливості екологізації розділу хімії: «Фізико-хімічні властивості водню» шляхом впровадження теми: «Альтернативна енергетика».

У зв'язку з цим в дипломній роботі вирішувалися такі конкретні завдання:

1) розробити огляд відомостей про водневій енергетиці як альтернативному виді енергії

2) вибір відповідних форм організації занять у рамках

«Альтернативна воднева енергетика»;

3) складання тестових завдань з досліджуваної теми;

4) апробація розроблених методик в МОУ СЗШ гімназії № 1 м. Нальчика;

Предмет дослідження - можливість введення в практику навчання нових прикладних та екологічних аспектів при вивченні теми «Альтернативна воднева енергетика».

Об'єкт дослідження - пізнавальна діяльність учнів дев'ятих класів МОУ СЗШ № 1 м. Нальчика.

Гіпотеза - розробка і реалізація нових методичних підходів до вивчення теми «Альтернативна воднева енергетика» з акцентуванням на прикладні та екологічні аспекти дозволить сформувати позитивну мотивацію до навчання, а зробити черговий крок в процесі формування екологічного світогляду учнів [2, 3].

Глава 1. ОСНОВИ створення водневої енергетики

1.1 Основні концепції надійності і екологічної безпеки об'єктів енергетики

Не так важливо, яка ваша думка про потреби енергетики, про джерела енергії, її якість і собівартість. Нам, мабуть, слід лише погодитися з тим, що сказав вчений мудрець, ім'я якого залишилося невідомим: "Немає простих рішень, є тільки розумний вибір».

Енергетичні об'єкти (паливно-енергетичний комплекс взагалі і об'єкти енергетики зокрема) за ступенем впливу на навколишнє середовище належать до числа найбільш інтенсивно впливають на біосферу.

Збільшення напорів і обсягів водосховищ гідровузлів, продовження використання традиційних видів палива (вугілля, нафта, газ), будівництво АЕС та інших підприємств ядерного паливного циклу (ЯПЦ) висувають ряд принципово важливих завдань глобального характеру за оцінкою впливу енергетики на біосферу Землі. Якщо в попередні періоди вибір способів отримання електричної та теплової енергії, шляхів комплексного вирішення проблем енергетики, водного господарства, транспорту та ін і призначення основних параметрів об'єктів (тип і потужність станції, об'єм водосховища та ін) проводилися в першу чергу на основі мінімізації економічних витрат, то в даний час на перший план все більше висуваються питання оцінки можливих наслідків зведення та експлуатації об'єктів енергетики.

Це, перш за все, відноситься до ядерної енергетики (АЕС і інші підприємства ЯПЦ), великим гідровузлах, енергокомплексу, підприємствам, пов'язаним з видобутком і транспортом нафти і газу і т.п. Тенденції та темпи розвитку енергетики зараз в значній мірі визначаються рівнем надійності та безпеки (в тому числі екологічної) електростанцій різного типу. До цих аспектів розвитку енергетики привернуто увагу фахівців та широкої громадськості, вкладаються значні матеріальні та інтелектуальні ресурси, однак сама концепція надійності і безпеки потенційно небезпечних об'єктів інженерних залишається багато в чому мало розробленою.

Розвиток енергетичного виробництва, мабуть, слід розглядати як один з аспектів сучасного етапу розвитку техносфери взагалі (і енергетики зокрема) і враховувати при розробці методів оцінки і засобів забезпечення надійності та екологічної безпеки найбільш потенційно небезпечних технологій.

Одне з найважливіших напрямів розв'язання проблеми - прийняття комплексу технічних і організаційних рішень на основі концепцій теорії ризику.

Об'єкти енергетики, як і багато підприємств інших галузей промисловості, представляють джерела неминучого, потенційного, до теперішнього часу практично кількісно не враховується ризику для населення і навколишнього середовища. Під надійністю об'єкту розуміється його здатність виконувати свої функції (в даному випадку - вироблення електро-і теплової енергії) в заданих умовах експлуатації протягом терміну служби. Або найдетальніше: властивість об'єкта зберігати в часі у встановлених межах значення всіх параметрів, що характеризують здатність виконувати необхідні функції в заданих режимах і умовах застосування.

Під екологічною безпекою розуміється збереження в регламентованих межах можливих негативних наслідків впливу об'єктів енергетики на природне середовище. Регламентація цих негативних наслідків пов'язана з тим, що не можна добитися повного виключення екологічного збитку.

Негативні наслідки впливу енергетики на навколишнє середовище слід обмежувати деяким мінімальним рівнем, наприклад, соціально-прийнятним допустимим рівнем. Повинні працювати економічні механізми, що реалізують компроміс між якістю середовища проживання і соціально-економічними умовами життя населення. Соціально-прийнятний ризик залежить від багатьох факторів, зокрема, від особливостей об'єкта енергетики.

В силу специфіки технології використання водної енергії гідроенергетичні об'єкти перетворять природні процеси на вельми тривалі терміни. Наприклад, водосховище ГЕС (або система водосховищ у разі каскаду ГЕС) може існувати десятки і сотні років, при цьому на місці природного водотоку виникає техногенний об'єкт з штучним регулюванням природних процесів - природно-технічна система (ПТС). В даному випадку завдання зводиться до формування такої ПТС, яка забезпечувала б надійне та екологічно безпечне формування комплексу. При цьому співвідношення між основними підсистемами ПТС (техногенним об'єктом і природним середовищем) може бути істотно різним в залежності від обраних пріоритетів - технічних, екологічних, соціально-економічних та ін, а принцип екологічної безпеки може формулюватися, наприклад, як підтримання деякого стійкого стану створюваної ПТС.

Інший виявляється постановка завдання оцінки можливих наслідків для навколишнього середовища при створенні об'єктів ядерної енергетики. Тут під екологічною безпекою розуміється концепція, згідно з якою при проектуванні, будівництві, експлуатації і зняття з експлуатації АЕС, а також інших об'єктів ЯПЦ передбачається і забезпечується збереження регіональних екосистем. При цьому допускається деякий екологічний збиток, ризик якого не перевершує певного (нормованого) рівня. Цей ризик мінімальний в період штатної експлуатації АЕС, зростає при зведенні об'єкту і зняття його з експлуатації і, особливо - в аварійних ситуаціях. Необхідно враховувати вплив на навколишнє середовище всіх основних чинників техногенного впливу: радіаційного, хімічного теплового (з урахуванням їх можливого нелінійної взаємодії). Слід мати на увазі і різні масштаби можливих наслідків: локальний (теплова пляма скидання підігрітих вод у водойми і водотоки), регіональний (викид радіонуклідів), глобальний (розсіяння довгоіснуючих радіонуклідів по біосферним каналам). Якщо ж створюється велике водосховище - охолоджувач, то, як у випадку гідроенергетичного об'єкта, повинна ставитися завдання про екологічно безпечне функціонування складної ПТС (з урахуванням зазначеної специфіки АЕС).

Аналогічний коло питань слід розглядати при формулюванні концепції екологічної безпеки об'єктів теплоенергетики: облік теплового і хімічного впливу на навколишнє середовище, вплив водойм-охолоджувачів і т.п. Крім того, для великих ТЕС на твердому паливі (вугілля, сланці) виникають проблеми надійної та безпечної експлуатації золовідвалів - складних і відповідальних грунтових гідроспоруд. І тут треба ставити завдання про безпечне функціонування ПТС «ТЕС - навколишнє середовище» [1].

На жаль, запаси нафти, газу, вугілля зовсім не нескінченні. Природі, щоб створити ці запаси, знадобилися мільйони років, а витрачені вони будуть за сотні. Сьогодні у світі стали серйозно замислюватися над тим, як не допустити хижацького розграбування земних багатств. Адже лише за цієї умови запасів палива може вистачити на століття. Що ж станеться тоді, коли родовища нафти і газу будуть вичерпані? Підвищення цін на нафту, необхідну не тільки енергетиці, але і транспорту, і хімії, змусило задуматися про інші види палива, придатних для заміни нафти і газу. Вирішення цієї задачі дослідники шукають на різних шляхах. Найбільш привабливим є використання вічних, поновлюваних джерел енергії - енергії поточної води і вітру, океанських припливів і відливів, тепла земних надр, сонця. Багато уваги приділяється розвитку атомної енергетики, учені шукають способи відтворення на Землі процесів, що протікають в зірках і забезпечують їх колосальними запасами енергії.

Народження енергетики відбулося декілька мільйонів років тому, коли люди навчилися використовувати вогонь. Вогонь давав їм тепло і світло, і був джерелом натхнення й оптимізму, зброєю проти ворогів і диких звірів, лікувальним засобом, помічником в землеробстві, консервантом продуктів, технологічним засобом і т. д.

Протягом багатьох років вогонь підтримувався шляхом спалювання рослинних енергоносіїв (деревини, чагарників, очерету, трави, сухих водоростей і т. п.), а потім була виявлена ​​можливість використовувати для підтримки вогню викопні речовини: кам'яне вугілля, нафту, сланці, торф.

Прекрасний міф про Прометея, дарував людям вогонь, з'явився в Древній Греції значно пізніше того, як у багатьох частинах світу були освоєні методи досить витонченого поводження з вогнем, його отриманням і гасінням, збереженням вогню і раціональним використанням палива.

Зараз відомо, що деревина - це акумульована за допомогою фотосинтезу сонячна енергія. При згорянні кожного кілограма сухої деревини виділяється близько 20 000 кДж тепла, теплота згоряння бурого вугілля дорівнює приблизно 13 000 кДж / кг, антрациту 25 000 кДж / кг, нафти і нафтопродуктів 42 000 кДж / кг, а природного газу 45 000 кДж / кг. Найвищою теплотою згоряння має водень 120000 кДж / кг.

На наших очах набирає силу нова галузь промисловості - воднева енергетика і технологія. Потреба економіки у водні йде по наростаючій. Адже це найпростіше і легчайшее речовина може використовуватися не тільки як паливо, а й як необхідний сировинної елемент у багатьох технологічних процесах. Він незамінний в нафтохімії для глибокої переробки нафти, без нього не обійтися, скажімо, в хімії при отриманні аміаку і азотних добрив, а в чорній металургії з його допомогою відновлюється залізо з руд. Такі існуючі види органічного палива, як газ, нафта і вугілля, теж служать сировиною в цих та подібних процесах, але ще корисніше витягти з них самий економний і чистий енергоносій - той же водень. Водень - ідеальний екофільними вид палива. Дуже висока і його калорійність - 33 тис. ккал / кг, що в 3 рази вище калорійності бензину. Він легко транспортується по газопроводах, тому що у нього дуже мала в'язкість. По трубопроводу діаметром 1, 5 м з ним передається 20 тис. Мегават потужності. Перекачування найлегшого газу на відстань в 500 км майже вдесятеро дешевше, ніж передача такої ж кількості електроенергії по лініях електропередачі. Як і природний газ, водень придатний на кухні для приготування їжі, для опалення та освітлення будівель. Щоб продемонструвати його можливості, американські вчені побудували «водневий дім», в якому для освітлення використовували водень. Передавати водень у рідкому вигляді - задоволення дуже дороге, тому що для його скраплення потрібно витратити майже половину енергії, що міститься в ньому самому. Крім того, температура рідкого водню дуже низька.

Як паливо водень спалюється в двигунах ракет і в паливних елементах для безпосереднього отримання електроенергії при з'єднанні водню і кисню. Його можна використовувати і як паливо для авіаційного транспорту.

Воднева енергетика обіцяє ряд вигод. Тому з'явилося багато ентузіастів водневої енергетики, виникли їх асоціації, в тому числі міжнародна.

Зараз у світі отримують близько 30 мільйонів тонн водню на рік, причому в основному з природного газу. Згідно з прогнозами за 40 років виробництво водню збільшитися в 20-30 разів. Належить за допомогою атомної енергетики замінити нинішній джерело водню - природний газ - на більш дешеве і доступне сировину - на воду. Тут можливі два шляхи.

Перший шлях - традиційний, за допомогою електрохімічного розкладання води.

Другий шлях менш відомий. Якщо нагріти пари води до 3000-3500 ° С, то водні молекули розваляться самі собою.

Обидва способи отримати водень з води поки дорожче, ніж із природного газу. Однак природний газ дорожчає, а методи розкладання води удосконалюються. Через якийсь час одержувати водень із води стане дешевше. В окремих випадках і зараз вигідно отримувати водень за допомогою електролізу в нічні години, коли є зайва і дешева електроенергія.

Воднева енергетика бурхливо розвивається, але недаремно все частіше говорять про атомно-водневій енергетиці. Потрібні великі енергетичні витрати для отримання водню. Тандем "ядерний реактор - водневий генератор» - претендує нині на роль енергетичного лідера в економіці нинішнього, XXI, століття.

Етапи розвитку водневої енергетики, викладені вище, показують, що вона є реальною перспективою альтернативної енергетики. Це диктує підготовку висококваліфікованих фахівців - енергетиків з екологічною спрямованістю. Формування таких фахівців починається в школі. З цієї точки зору, міцним фундаментом або одним із цеглинок такого фундаменту може послужити методично правильне і оформлене освоєння розділу «Водень» шкільного курсу хімії, що поєднує елементи технології та екології водневої енергетики.

1.2 Енергетика сьогодні

1.2.1 Енергетичні потреби, ресурси і можливості

На перших етапах розвитку цивілізації використовувалися первинні природні енергетичні ресурси - деревина, потім викопний вугілля. Поступово починає використовуватися енергія вітру і води. Примітивні вітряні двигуни (вітряки) з'явилися ще 2 тисячі років тому. Природний бітум почав використовуватися 1 тисячу років тому. Перші нафтові свердловини з'явилися в Хун столітті, а в середині XIX століття почався промисловий видобуток нафти і газу. В епоху індустріалізації потреба в енергетичних ресурсах різко збільшується, але розширюються і можливості людства: почалося виробництво електроенергії з використанням гідроресурсів, енергії Сонця і атомної енергії. Використання енергетичних ресурсів в усі часи обмежувалося запасами природних енергоресурсів, можливостями людини витягувати енергію з цих енергоресурсів і наслідками їх вилучення та використання.

1.2.2 Екологічні проблеми енергетики та шляхи їх вирішення

Вплив енергетики на навколишнє середовище різноманітно і визначається видом енергоресурсів і типом енергоустановок. Приблизно 1 / 4 всіх споживаних енергоресурсів припадає на частку електроенергетики. Інші 3 / 4 припадають на промислове і побутове тепло, на транспорт, металургійні і хімічні процеси. Щорічне споживання енергії у світі наближається до 22 млрд. т. Теплоенергетика в основному споживає тверде паливо. Найпоширеніше тверде паливо нашої планети - вугілля. І з екологічної і з економічної точки зору метод прямого спалювання вугілля для отримання електроенергії - не найкращий спосіб використання твердого палива. При спалюванні рідкого палива з димовими газами в атмосферу повітря надходять: сірчистий ангідрид, оксиди азоту, окис і двоокис вуглецю, газоподібні і тверді продукти неповного згоряння палива, з'єднання ванадію, солі натрію, та ін З точки зору екології рідке паливо менш шкідливо, ніж вугілля. Якщо рівень забруднення атмосфери при використанні вугілля прийняти за 1, то спалювання мазуту дасть 0,6, а використання природного газу знижує цю величину до 0,2.

1.2.2.1 Парниковий ефект

Підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері викликає так званий парниковий ефект, який отримав назву за аналогією з перегрівом рослин у парнику. Роль плівки в атмосфері виконує вуглекислий газ. В останні роки стала відома подібна роль і деяких інших газів (СН 4 і N 2 О). Кількість метану збільшується щорічно на 1%, вуглекислого газу - на 0,4%, закису азоту - на 0,2%. Вважається, що вуглекислий газ відповідальний за половину парникового ефекту.

1.2.2.2 Забруднення атмосфери

Негативний вплив енергетики на атмосферу відбилося у вигляді твердих частинок, аерозолів і хімічних забруднень. Особливе значення мають хімічні забруднення. Головним з них вважається сірчистий газ, що виділяється при спалюванні вугілля, сланців, нафти, в яких містяться домішки сірки. Деякі види вугілля з високим вмістом сірки дають до 1 т сірчистого газу на 1О т згорілого вугілля. Зараз вся атмосфера земної кулі забруднена сірчистим газом. Йде окислення до сірчаного ангідриду, а останній разом з дощем випадає на землю у вигляді сірчаної кислоти. Ці опади називають - кислотними дощами. Те ж саме відбувається і після поглинання дощем діоксиду азоту - утворюється азотна кислота [2].

1.2.2.3 Озонові "діри"

Вперше зменшення товщини озонового шару було виявлено над Антарктидою.

Цей ефект - результат антропогенного впливу. Зараз виявлені й інші озонові діри. В даний час помітно зменшення кількості озону в атмосфері над усією планетою. Воно становить 5-6% за десятиліття в зимовий час і 2-3% - в літній час. Деякі вчені вважають, що це прояв дії фреонів (хлорфторметанами), але озон руйнується також оксидом азоту, які викидаються підприємствами енергетики. Негативний вплив атомних електростанцій позначається, насамперед, на атмосфері. Правда, при нормальній роботі АЕС ймовірність радіоактивного забруднення невелика. Але у випадку аварії вплив радіоактивних викидів носить глобальний характер.

Сьогодні глобальна середньорічна потреба в енергії складає ~ 8 трлн. ват.

Іншими словами для забезпечення потреб одного жителя Землі потрібно 12 чоловік обслуговуючого персоналу.

Якщо наш спосіб життя, буде і далі так розвиватиметься, як зараз, то в майбутньому потреба в енергії стане величезною. Якщо виробництво продовольства буде йти в ногу із зростанням населення, то до 2000 р. виробництво азотних добрив має збільшитися в 1 00 разів. Одне лише це зажадає близько 20% обсягу нині виробленої енергії. Опріснена вода, яка часто розглядається як невід'ємна частина майбутнього, для свого отримання вимагає величезних витрат енергії.

Середньорічне споживання енергії збільшується на 5.7%. Якщо цей темп збережеться, за наступні 20 років витрата енергії збільшиться в 4.5 рази. Основним джерелом отримання енергії в світі дає 97% її кількості є викопне паливо, в тому числі 38% становить вугілля, 19%-природний газ і 10% - нефть.2% електроенергії виробляється на ГЕС, а інші джерела, такі як ядерний розпад, деревина та інші виробляють 1% енергії [3].

Таблиця 1.

Енергетичні системи, придатні для використання людиною

виду

Енергетичні системи

ТИП 1

(Засновані на поновлюваних джерелах енергії)

1.

На:

гравітаційних силах; молекулярному русі; русі припливів і хвиль; русі повітря; геотермальних силах

2.

фотосинтезі рослин; життєдіяльності організму

3.

Фотохімічних, фотоелектричних і

термоелектричних процесах

ТИП 2

(Засновані на поновлюваних джерелах енергії)

1.

На:

спалюванні радіаційного палива

2.

внутрішньоядерних процесах

3.

біохімічному перетворенні енергії

4.

водневому паливі

Усього сказаного вище досить для того, щоб переконатися в необхідності пере ходу людства на нові види енергії, не пов'язані зі спалюванням традиційного палива. Для зручності розгляду питань пошуку нових джерел енергії здається доцільним, перш за все, всі існуючі на земній кулі енергетичні системи, використання яких здійснюється або потенційно може здійснюватися людиною, розділити умовно на два типи:

  • системи, засновані на поновлюваних джерелах енергії;

  • системи, засновані на невідновлюваних джерелах.

Кожен тип, у свою чергу, можна підрозділити на кілька видів енергетичних систем (табл. 1).

Системи пов'язані з першого виду, малоперспективні, незважаючи на їх екологічну чистоту. На початку століття, за наявними оцінками, вони зможуть задовольнити світові потреби лише на 5 - 10% [4].

Таблиця 2 Різні джерела енергії, їх стан, екологічність, перспективи розвитку

Джерело енергії

Стан і екологічність

Перспективи використання

Вугілля

Тверде

Хімічне забруднення атмосфери, умовно прийняте за 1

Потенційні запаси 10125 млрд. т, перспективний не менш ніж на 100 років

Нафта

Рідке

Хімічне загрязгненіе атмосфери 0, 6 умовних одиниць

Потенційні запаси 270-290 млрд. т, перспективний не менш ніж на 30 років

Газ

Газоподібне

Хімічне загрязгненіе атмосфери 0, 2 умовних одиниць

Потенційні запаси 270 млрд. т, перспективний на 30 - 50 років

Сланці

Тверде

Значить. Кількість відходів і важко усуваються викиди

Запаси більш 38400 млрд. т, малоперспектівен через забруднень

Торф

Тверде

Висока зольність і еколог. порушення в місцях видобутку

Запаси значні: 150 млрд. т, малоперспектівен через високу зольності і екол. порушень у місцях вироблення

Гідроенергія

Рідке

Порушення екологічні. балансу

Запаси 890 млн. т нефт. еквівалента

Геотермальна енергія

Рідке

Хімічне забруднення

Невичерпні, перспективний

Сонячна енергія


Практично невичерпний

Енергія припливів

Рідке

Теплове забруднення

Практично невичерпний

Енергія атомного розпаду

Тверде

Запаси фізично вичерпані, екологічно небезпечний

Схема 1. Енергетичні ресурси і структура використання

Співвідношення використовуваних енергетичних ресурсів в історії людства змінювалося з розвитком цивілізації залежно від виснаження вичерпних енергоресурсів, можливості використання та екологічних наслідків. За останні 200 років можна виділити три етапи:

можна виділити три етапи:

  • вугільний етап охоплює весь XIX століття і першу половину ХХ століття, в цей час переважає споживання вугільного палива;

  • нафтогазовий етап з другої половини ХХ століття до 80-х років, на зміну вугіллю приходить газ і нафту як більш ефективні енергоносії ніж тверді;

  • починаючи з 80-х років починається поступовий перехід від використання мінеральних вичерпних ресурсів до невичерпним (енергії Сонця, води, вітру, припливів і т.д.).

Особливо слід сказати про ядерну енергетику. З початку світового енергетичного

кризи роль атомної енергетики зросла. Але вже на початку 80-х років зростання споживання атомної енергії уповільнився. У більшості країн були переглянуті плани спорудження АЕС. Це було наслідком низки екологічних забруднень при аваріях, особливо в результаті Чорнобильської катастрофи. Саме в цей період багато країн прийняли рішення про повне або поступову відмову від розвитку атомної енергетики.

1.3 Особливості альтернативної водневої енергетики

Воднева енергетика включає такі основні напрямки:

Розробка ефективних методів і процесів великомасштабного отримання дешевого водню з метану і сероводородсодержащих природного газу, а також на базі розкладання води; технології зберігання, транспортування та використання водню в енергетиці, промисловості, на транспорті.

1.3.1 Призначення, основні функціональні показники

Воднева технологія дозволить зупинити прогресуюче зростання забруднення навколишнього середовища, виключивши або принципово скоротивши емісію токсікоагентов в тропосферу, в тому числі, приземний шар атмосфери.

При отриманні великих обсягів водню з метану і сіро містять природних газів може бути використана плазменно-мембранна технологія питомої продуктивністю більше ніж в 100 разів вище в порівнянні з традиційною. Питомі енерговитрати на виробництво 1 м 3 водню виявляються нижчими реалізованих в традиційній технології в 2-3 рази (близько 1 кВт / год).

Виробництво водню з води можливе на новому типі електролізерів на базі катіонопроводящей мембрани МФ-4СК, що випускається в Росії та забезпечує отримання водню більш високої чистоти з питомими енерговитратами в 1,5 меншими, ніж у традиційних систем. Питома продуктивність апаратів в 10 разів вище, ніж у попереднього покоління.

1.3.2 Область застосування

Воднева технологія використовується для автономного забезпечення різних видів наземного транспорту і жідководородних силових установок для авіації, стаціонарних енергосистем з водневим акумулюванням енергії (вітрові, сонячні та інші види енергоустройств). Застосування водню в хімії, газо-і нафтохімії, виробництві мінеральних добрив, біотехнології, металургії і т.д. дозволить відмовитися від традиційної організації процесу, підвищити його якість і економічність при ліквідації повного або основного викиду забруднюючих речовин в атмосферу.

1.3.3 Підстави для вибору

Технологія дасть можливість масштабно отримувати дешевий водень як цінної сировини і реагенту при виробництві добрив, метанолу, а також в процесах переробки нафти. Ресурси сировини практично необмежені. Водень є екологічно чистим енергоносієм і його застосування в енергетиці, промисловості та на транспорті матиме позитивний вплив на стан навколишнього середовища.

1.3.4 Стан і тенденція розвитку

В даний час в Росії створено ряд демонстраційних установок, що реалізують нові високоефективні технології одержання і використання водню з метану, природних сірковмісних газів за допомогою плазмово-мембранної технології. При цьому виключаються каталізатори і традиційні рідинні системи газорозподілу. Воно здійснюється за допомогою мембранних апаратів. Існуючі у світі системи мають замість цієї стадії громіздкий термокаталітіческіе процес, екологічно некоректний, з більш високими енерговитратами (в 2-3 рази) і низькою питомою продуктивністю.

В даний час успішно завершуються дослідження і розробки на рівні потужності 200 кВт на майданчику ГНЦ "Курчатовський інститут" та потрібен перехід до дослідно-промислової стадії на рівні потужності 1 МВт і продуктивності 10 м 3 / год. Пропонована технологія не має світових аналогів, до неї виявляє інтерес ряд провідних зарубіжних фірм.

Для високоефективних електролізерів на основі катіонопроводящей мембрани МФ-4СК в даний час завершено цикл НДДКР і створено виробництво електролізерів з поліпшеними показниками на базі російської технології. Типорозмірний ряд доведений до продуктивністю 20 м3/год і необхідний завершальний етап зі створення 100 м3/год електролізера. Рівень кращих зарубіжних розробок 50 м3/год на базі мембрани "Nafion" за питомими характеристиками близький до основних параметрів, зазначених вище [5].

На базі тієї ж вітчизняної мембрани в Росії створені електрохімічні генератори 10-20 кВт, що використовують водородо-повітряну суміш і мають ККД до 75%, при цьому системи емітують тільки чисту воду, токсичні компоненти викиду відсутні повністю.

1.3.5 Вплив водневої енергетики на навколишнє середовище

При розгляді основних принципів водневої енергетики та її впливу на навколишнє середовище, не можна обмежуватися лише забрудненням повітря, так як це не єдиний тип забруднення. При порівнянні різних енергетичних джерел слід обговорити й інші аспекти. Під цим можна розуміти ефективність джерел енергії, тому важливо зіставити водневу енергетику з іншими енергетичними системами, такими як вугілля - синтетичне паливо, атомна енергія - водень, атомна енергія - електрика і ін

З точки зору охорони навколишнього середовища варіанти водневої енергетики оцінюються вище старих енергетичних систем, що використовують копалини палива. Заслуговує на увагу той факт, що, хоча енергетична система сонячна система - водень найбезпечніша по відношенню до навколишнього середовища, все ж система сонячна енергія - електрика буде ефективніше, оскільки в ній використовується менша кількість матеріалів. Передбачається що система сонячна система - водень буде працювати в поєднанні з фотогальванічними елементами, в яких витрачається велика кількість кремнію. Тому, якщо система море-сонце або з вітрової енергією, то вплив на навколишнє середовище буде менше, і енергетична система сонячна система водень буде більш прийнятною, ніж система сонячна система - електрика [6].

1.3.6 Додаткові відомості про застосування водню в побутових цілях

Вся енергія, призначена для побутових цілей, може бути отримана з водню (освітлення, опалення і приготування їжі). Однак це не найоптимальніший шлях застосування водню.

Освітлення, опалення і приготування їжі. Для освітлення не обов'язково застосовувати електрику, можна скористатися «холодним світлом», одержуваних при взаємодії водню з фосфором. Для приготування їжі, опалення приміщень може бути використаний спеціальний керамічний матеріал. Проте опалення приміщень краще здійснювати за допомогою електричних насосів.

Електрика в домі. Мабуть, при впровадженні водневої енергетики зменшиться споживання електроенергії у житлових будинках. Знизяться витрати на роботу різних електронних пристроїв. Однак для постачання воднем будинків необхідно повністю переобладнати трубопроводи, пальники і велику частину іншого устаткування [1].

1.3.7 Шляхи розвитку водневої енергетики

Слід відразу встановити, що переваги водневої енергетики можуть бути досягнуті тільки шляхом постадійного впровадження цієї енергетики (дослідження, проектування, створення дослідної установки, невелика перевірка, більша перевірка і, нарешті, повний перехід на водневу енергетику). На першій стадії в якості джерела для отримання водню можна використовувати вугілля, який при нагріванні з водою утворює суміш СО і Н 2; СО потім буде окислен до СО 2 і викинутий в атмосферу, а Н 2 доставлять по трубопроводу на найближчу установку. Тут він може бути використаний для отримання електрики.

У другій стадії в якості джерела енергії для одержання водню може бути використана ядерна установка; утворюється водень потім буде доставлятися в місто і застосовуватися для отримання електроенергії або для роботи частини транспорту.

На третій стадії може бути використаний маленьке місто (наприклад, з населенням 10 000), де буде побудована станція для збору сонячної енергії. Якщо це гориста місцевість, можна встановити експериментальні великі аерогенератори.

Важливою є четверта стадія освоєння, на здійснення якої необхідні суми, які обчислюються мільярдами. На цій стадії слід перевести частину енергетики на водень, наприклад, житлово-комунальне господарство, транспорт, промисловість.

Екологічна "чистота" водню не викликає сумнівів, якщо врахувати, що практично єдиним продуктом його згоряння є вода і що в цьому випадку повністю відсутні характерні для вуглеводневих палив забруднюючі атмосферу сполуки типу діоксидів вуглецю та сірки, а також парів вуглеводнів. Крім того, водень це і досить калорійне паливо. За теплотам згоряння (34 ккал / г) він набагато перевершує такі класичні види палива, як вуглеводні (10 ккал / г) і деревина (4 ккa / г). Звичайно, не можна не враховувати і великі труднощі, пов'язані з рішенням і ряду додаткових завдань , таких, як:

а) пошук та розробка первинних джерел енергії, які можуть бути використані для синтезу водню;

б) безпека зберігання, транспорту і великих кількостей газоподібного та рідкого водню;

в) ефективне перетворення енергії водню при вирішенні ряду конкретних енергетичних завдань.

Якщо говорити про пошуки і розробках первинних джерел, які можуть бути використані для синтезу водню, то, ймовірно, слід почати з найпростішого способу, відомого кожному, хто хоча б трохи знайомий з хімією, - взаємодії кислот і основ з металами:

Zn + (2HCl) aq → (ZnC1 2) aq + H 2

Аl + (2NaOH) aq → (NaAIО 2) aq + 3/2H 2

У плані подальшого викладу дуже важливо підкреслити, що перспективними для створення водневої енергетики можуть вважатися тільки способи, засновані на використанні води в якості вихідної сировини. Тому надалі при написанні тих чи інших рівнянь хімічних реакцій індекс "aq", що характеризує водне середовище, буде опускатися.

Процес незворотній і для отримання металу з утворених оксидів (для повторного їх застосування) вимагає значних витрат енергії.

Заслуговують уваги три варіанти отримання водню з органічної сировини.

Один з них - парова конверсія металу, що є головним компонентом природного газу:

СН 4 + Н 2 О → СО + 3Н 2 - 50 ккал

СО + Н 2 О → СО + Н 2 + 10 ккал

______________________________

СН 4 + 2Н 2 О → СО 2 + 4Н 2 - 40 ккал

Другий більш досконалий варіант грунтується на парокіслородной конверсії:

2СН 4 + О 2 → 2СО + 4Н 2 + 16 ккал

СН 4 + Н 2 О → СО + 3Н 2 - 50 ккал

______________________________

7СН 4 + 3О 2 + Н 2 О → 7СО + 15Н 2

Подальший процес, пов'язаний з конверсією СО, протікає, як і в першому варіанті. Проте, як випливає з рівнянь в обох варіантах, потрібно витрата великих кількостей дефіцитного природного газу як вихідної сировини.

Третій варіант заснований на використанні процесу газифікації вугілля:

тв + О 2 → 2СО + 55 ккал

З ТВ + Н 2 О пар → СО + Н 2 - 30 ккал

Комбінацією цих двох реакцій можна отримати суміш СО і Н 2 звану "водяним газом" або "синтез газом». Останнім часом метод отримання водню з води і вугілля вважається одним з найбільш перспективних. Дуже перспективним, на думку фахівців, є варіант використання водяної пари для відновлення оксидів заліза при 800-900 0 С:

2Fе з О 4 + СО + Н 2 → 6FеО + Н 2 О + СО 2 - 22 ккал

з наступною обробкою FeO водяною парою при 600-700 0 С. Після конденсації водяної пари можна отримати чистий водень:

3 FeO + Н 2 О → Fe з О 4 + Н 2 + 16ккал

Економічність процесу тут зростає внаслідок того, що остання реакція екзотермічни і дозволяє деяка кількість тепла, що виділяється використовувати для нагріву водяного газу до температур, при яких відповідно до даної реакцією має місце відновлення оксидів заліза. Незважаючи на певні труднощі, железопаровой варіант отримання водню приваблює в даний час увагу великої кількості дослідників у всіх країнах світу, оскільки пов'язаний з можливістю використання дешевих низькосортного вугілля в якості відновника водяного газу. Здавалося б, найпростішим і чистим способом отримання водню повинен бути електролізний спосіб, безпосередньо розщеплює молекулу води на водень і кисень. Однак цей процес сам потребує багато електричної енергії та економічно поки залишається невигідним [2, 4, 5-15].

У електрохімії є таке поняття, як перенапруження. Воно пов'язане з надмірною напругою, що потрібно прикласти до електролітичної ванні понад її рівноважної електрорушійної сили для того, щоб міг протікати процес електролізу. При електролізі води з метою отримання водню на катоді перенапруження збільшує необхідне електрична напруга і відбувається додаткову витрату енергії. При величині напруги в 0,3 В на кожні 1000 кг водню потрібно додаткову витрату 8300 квт-ч електроенергії. Велика величина перенапруги виділення водню обумовлює те, що вартість електролізного водню поки в 2 - 2,5 рази вище вартості водню, що отримується з природного газу. У зв'язку з цим, однак, заслуговує належної уваги можливість практичного здійснення варіанту комбінує електролізу прямого піролізом води. Остання реакція (реакція піролізу води) сама по собі здається досить перспективною і спочатку заслуговує самостійного розгляду [4, 16-18].

l.3.8 Пuролuз води

Для того, щоб отримувати водень за рахунок термічного розкладання води

2 Н 2 О ↔ Н 2 + О 2

потрібно дуже багато тепла, тобто потрібно нагрівати водяний пар до температур порядку декількох тисяч градусів. Такий процес може бути здійснений тільки із застосуванням пристроїв типу дугового плазмотрона. Однак тут може бути застосований принцип так званих термохімічних циклів, сутність якого полягає в тому, що сильно ендотермічний процес розкладання води може бути розчленований на ряд послідовно чергуються ендо - і екзотермічних стадій, кожна з яких для свого здійснення потребує значно більш низьких температур, ніж реакція (13). У свою чергу, можливість отримання водню шляхом термохімічних реакцій з використанням низькотемпературного тепла (700 - 900 ОС) відкриває перспективи широкого використання тепла атомних реакторів. Це тим більш заманливо, що таким чином вирішуються проблеми отримання водню та утилізації тепла атомних реакторів, яке представляє можливу загрозу тепловому балансу в біосфері. Як правило, екзотермічні стадії пов'язані з утворенням нестійких продуктів окислення, і зокрема кисню в реакції (13). Цілком очевидно, що в нашому випадку для того, щоб термохимический цикл не «розімкнулись», потрібно, щоб продукти окислення володіли невисокою термічною стабільністю і легко віддавали кисень при помірному нагріванні.

Таким чином, найпростіший, скажімо двостадійний (в ідеалі), цикл можна схематично представити наступним чином:

Х + Н 2 О → ХВ + Н 2;

ХО → Х + 1 / 2 О 2.

Тут перша стадія йде з виділенням тепла мимовільно або при нагріванні до невисоких температур, а друга стадія протікає з поглинанням тепла. Ідеальний двостадійний цикл поки важко запропонувати. Більш реальні трьох-чотирьохетапної термохімічні цикли, як, наприклад, цикл, іменований «Марк-9»:

2FeCl 2 + 8Н 2 О (г) → 2Fе 2 Оз + 12НСI + 2Н 2 О; (15)

2FезО 4 + ЗСl 2 + 12НСI → 6FеСl з + 6Н 2 О (г) + О 2; (16)

6FеСl з → 6FeCl 2 + ЗСl 2 (17)

Стадія (15) ендотермічна: 600 - 700 º С; стадія (16) екзотермічни: 150 - 200 º С; стадія (17) ендотермічна: 400 - 450 º С. Слід, однак, вказати, що в даному термохімічної циклі, так само як і в інших розроблюваних циклах, доводиться стикатися з багатьма труднощами технічного характеру, ускладнюють на сьогодні практичну реалізацію цих варіантів в широких масштабах. На думку фахівців, значно ближче до здійснення варіанти термоелектрохіміческого розкладання води, комбінує термохімічні цикли з електрохімічними. Прикладом може служити сірнокислотний цикл, заснований на тому, що потенціал окислення сірчистої кислоти до сірчаної (0,18 В) істотно нижче потенціалу «окислення» води (1,3 В):

Н 2 S Оз + S О з + 3 Н 2 О → 2H 2 S О 4 + 2Н 2 (18)

2 S О 4 → 2Н 2 О + 2Н 2, + SO 2 + О 2, (19)

де стадія (19) - ендотермічна реакція при 800 - 900 º С і тиску до 10 атм, а стадія (18) - звичайний електроліз водного розчину сірчистої кислоти, що протікає при нормальній температурі [3, 4].

З усього сказаного випливає, що у водневої енергетики за умови її подальшого вдосконалення є чудовий шанс внести відчутний вклад в енергетичну систему світу [19 - 22].

Глава 2. ЕКОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ СТВОРЕННЯ водневої енергетики (ДЛЯ УЧНІВ СЕРЕДНЬОЇ ШКОЛИ)

Введення в проблему водневої енергетики для учнів 9 класів на першому етапі можливо у вигляді як наведених нижче виконаних самим учителем доповідей, так і невеликих повідомлень, підготовлених самими учнями [23-24]. Перше вступне повідомлення виконується вчителем:

2.1 Повідомлення 1. Суть водневої енергетики

Воднева енергетика включає такі основні напрямки:

Розробка ефективних методів і процесів великомасштабного отримання дешевого водню з метану і сероводородсодержащих природного газу, а також на базі розкладання води;

технології зберігання, транспортування та використання водню в енергетиці, промисловості, на транспорті.

Призначення, основні функціональні показники

Воднева технологія дозволить зупинити прогресуюче зростання забруднення навколишнього середовища, виключивши або принципово скоротивши емісію токсікоагентов в тропосферу, в тому числі, приземний шар атмосфери.

При отриманні великих обсягів водню з метану і сірковмісних природних газів може бути використана плазменно-мембранна технологія питомої продуктивністю більше ніж в 100 разів вище в порівнянні з традиційною. Питомі енерговитрати на виробництво 1 м 3 водню виявляються нижчими реалізованих в традиційній технології в 2-3 рази (близько I кВт / год).

Виробництво водню з води можливе на новому типі електролізерів на базі катіонопроводящей мембрани МФ-4СК, що випускається в Росії та забезпечує отримання водню більш високої чистоти з питомими енерговитратами в 1,5 меншими, ніж у традиційних систем. Питома продуктивність апаратів в 10 разів вище, ніж у попереднього покоління.

Область застосування

Воднева технологія використовується для автономного забезпечення різних видів наземного транспорту і жідководородних силових установок для авіації, стаціонарних енергосистем з водневим акумулюванням енергії (вітрові, сонячні та інші види енергоустройств).

Застосування водню в хімії, газо-і нафтохімії, виробництві мінеральних добрив, біотехнології, металургії і т.д. дозволить відмовитися від традиційної організації процесу, підвищити його якість і економічність при ліквідації повного або основного викиду забруднюючих речовин в атмосферу.

Підстави для вибору

Технологія дасть можливість масштабно отримувати дешевий водень як цінної сировини і реагенту при виробництві добрив, метанолу, а також в процесах переробки нафти. Ресурси сировини практично необмежені. Водень є екологічно чистим енергоносієм і його застосування в енергетиці, промисловості та на транспорті матиме позитивний вплив на стан навколишнього середовища.

Стан і тенденція розвитку

В даний час в Росії створено ряд демонстраційних установок, що реалізують нові високоефективні і технології одержання і використання водню з метану, природних сірковмісних газів за допомогою плазмово-мембранної технології. При цьому виключаються каталізатори і традиційні рідинні системи газорозподілу. Воно здійснюється за допомогою мембранних апаратів. Існуючі у світі системи мають замість цієї стадії громіздкий термокаталітіческіе процес, екологічно некоректний, з більш високими енерговитратами (в 2-3 рази) і низькою питомою продуктивністю.

В даний час успішно завершуються дослідження і розробки на рівні потужності 200 кВт на майданчику ГНЦ "Курчатовський інститут" та потрібен перехід до дослідно-промислової стадії на рівні потужності та продуктивності 10 м 3 / ч. Пропонована технологія не має світових аналогів, до неї виявляє інтерес ряд провідних зарубіжних фірм.

Для високоефективних електролізерів на основі на основі катіонопроводящей мембрани МФ-4СК в даний час завершено цикл НДДКР і створено виробництво електролізерів з поліпшеними показниками на базі російської технології. Типорозмірний ряд доведений до продуктивності 20 м 3 / год і необхідний завершальний етап зі створення 100 м 3 / год електролізера. Рівень кращих зарубіжних розробок 50 м 3 / год на базі мембрани «Nation» за питомими характеристиками близький до основних параметрів, зазначених вище [30, 11].

На базі тієї ж вітчизняної мембрани в Росії створені електрохімічні генератори 10 - 20 кВт, що використовують водородо-повітряну суміш і мають ККД до 75%, при цьому системи емітують тільки чисту воду, токсичні компоненти викиду відсутні повністю.

2.2 Повідомлення 2. Виконується учнями, на основі матеріалів, наданих учителем

Якщо наприкінці минулого століття найпоширеніша зараз проблема - енергетична - грала, загалом, допоміжну і незначну в світовому балансі роль, то вже в 1930 році в світі було вироблено близько 30 мільйонів мільярдів кіловат-годин! Гігантські цифри, небувалі темпи зростання! І все одно енергії буде мало, потреби в ній ростуть ще швидше.

Рівень матеріальної, а, в кінцевому рахунку, і духовної культури людей знаходиться в прямій залежності від кількості енергії, наявної в їх розпорядженні. Щоб добути руду, виплавити з неї метал, побудувати будинок, зробити будь-яку річ, потрібно витратити енергію. А потреби людини весь час ростуть, та і людей стає все більше.

Невблаганні закони природи стверджують, що отримати енергію, придатну для використання, можна тільки за рахунок її перетворень з інших форм. Вічні двигуни, нібито що проводять енергію і що нізвідки не її беруть, на жаль, неможливі. А структура світового енергогосподарства до сьогоднішнього дня склалася таким чином, що чотири з кожних п'яти проведених кіловат виходять в принципі таким чином, що чотири з кожних п'яти проведених кіловат виходять в принципі тим же способом, який користувався первісна людина для зігрівання, тобто при спалюванні палива , або при використанні запасеної в ньому хімічної енергії, перетворенні її в електричну на теплових електростанціях.

Звичайно, способи спалювання палива стали набагато складнішими і досконало.

Нові чинники - збільшені ціни на нафту, швидкий розвиток атомної енергетики, зростання вимог до захисту навколишнього середовища - зажадали нового підходу до енергетики.

Хоча в основі енергетики найближчого майбутнього як і раніше залишиться теплоенергетика на невідновлюваних ресурсах, структура її зміниться. Має скоротитися використання нафти. Істотно зростає виробництво електроенергії на атомних електростанціях. Розпочнеться використання поки ще незайманих гігантських запасів дешевих вугілля, наприклад, в Кузнецькому, Кансько-Ачинськ, Екибастузськом басейнах. Широко буде застосовуватися природний газ, запаси якого в країні набагато перевершують запаси в інших країнах.

Але, на жаль, запаси нафти, газу, вугілля зовсім не нескінченні. Природі, щоб створити ці запаси, знадобилися мільйони років, а витрачені вони будуть за сотні. Сьогодні в море стали серйозно замислюватися над тим, як не допустити хижацького розграбування земних багатств. Адже лише за цієї умови запасів палива може вистачити на століття. Що ж станеться тоді, коли родовища нафти і газу будуть вичерпані? Підвищення цін на нафту, необхідну не тільки енергетиці, але і транспорту, і хімії, змусило задуматися про інші види палива, придатних для заміни нафти і газу. Вирішення цієї задачі дослідники шукають на різних шляхах. Найбільш привабливим, звичайно, є використання вічних, поновлюваних джерел енергії - енергії поточної води і вітру, океанських припливів і відливів, тепла земних надр, сонця. Багато уваги приділяється розвитку атомної енергетики, учені шукають способи відтворення на Землі процесів, що протікають в зірках і забезпечують їх колосальними запасами енергії [31].

2.3 Повідомлення 3. Виконується учнями, на основі матеріалів, наданих учителем

Енергетичні потреби, ресурси і можливості

Людина з моменту своєї появи потребував енергетичних ресурсах. На ранньому етапі розвитку він задовольняв цю потребу через їжу. Але з розвитком людства зростав чи його енергетичні потреби і розширювалися можливості їх задоволення. На перших етапах розвитку цивілізації використовувалися первинні природні енергетичні ресурси - деревина, потім викопний вугілля. Поступово починає використовуватися енергія вітру та води [13]. Примітивні вітряні двигуни (вітряки) з'явилися ще 2 тисячі років тому. Природний бітум почав використовуватися 1 тисячу років тому. Перші нафтові свердловини з'явилися в XVII столітті, а в середині XIX століття почався промисловий видобуток нафти і газу. В епоху індустріалізації потреба в енергетичних ресурсах різко збільшується, але розширюються і можливості людства: почалося виробництво електроенергії з використанням гідроресурсів, енергії Сонця і атомної енергії. Використання енергетичних ресурсів в усі часи обмежувалося запасами природних енергоресурсів, можливостями людини витягувати енергію з цих енергоресурсів і наслідками їх вилучення та використання.

2.4 Повідомлення 4. Виконується учителем

Глобальні екологічні проблеми енергетики

Наслідки впливу енергетики на екологію Землі носить глобальний характер. Вплив енергетики на навколишнє середовище різноманітно і визначається видом енергоресурсів і типом енергоустановок. Приблизно 1 / 4 всіх споживаних енергоресурсів припадає на частку електроенергетики. Інші 3 / 4 припадають на промислове і побутове тепло, на транспорт, металургійні і хімічні процеси. Щорічне споживання енергії у світі наближається до 10 млрд. т умовного палива, а до 2000 року вона досягне, за прогнозами експертів, 18-23 млрд. т. Теплоенергетика в основному тверде паливо. Найпоширеніше тверде паливо нашої планети - вугілля. І з екологічної і з економічної точки зору метод прямого спалювання вугілля для одержання електроенергії не кращий спосіб використання твердого палива, при спалюванні рідкого палива з димовими газами в атмосферу повітря надходять сірчистий ангідрид, оксиди азоту, окис і двоокис вуглецю, газоподібні і тверді продукти неповного згоряння палива, з'єднання ванадію, солі натрію, та ін З точки зору екології рідке паливо менш шкідливо, ніж вугілля. Якщо рівень забруднення атмосфери при використанні вугілля прийняти за 1, то спалювання мазуту дасть 0,6, а використання природного газу знижує цю величину до 0,2.

Парниковий ефект. Підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері викликає так званий парниковий ефект, який отримав назву за аналогією з перегрівом рослині в парнику. Роль плівки в атмосфері виконує вуглекислий газ. В останні роки стала відома подібна роль і деяких інших газів (CH 4 і N 2 O). Кількість метану збільшується щорічно на 1%, вуглекислого газу - на 0,4%, закису азоту - на 0,2%. Вважається, що вуглекислий газ відповідальний за половину парникового ефекту.

Забруднення атмосфери. Негативний вплив енергетики на атмосферу відбилося у вигляді твердих частинок, аерозолів і хімічних забруднень. Особливе значення мають хімічні забруднення. Головним з них вважається сірчистий газ, що виділяється при спалюванні вугілля, сланців, нафти, в яких містяться домішки сірки. Деякі види вугілля з високим вмістом сірки дають до 1 т сірчистого газу, па К) г згорілого вугілля. Зараз вся атмосфера земної кулі забруднена сірчистим газом. Йде окислення до сірчаного ангідриду, а останній разом з дощем випадає на землю у вигляді сірчаної кислоти. Ці опади називають - кислотними дощами. Те ж саме відбувається і після поглинання дощем діоксиду, азоту - утворюється азотна кислота [14]. Сьогодні глобальна середньорічна потреба в енергії складає ~ 8 трлн. Ватт. Іншими словами для забезпечення потреб одного жителя Землі потрібно 12 чоловік обслуговуючого персонала.Еслі наш спосіб життя, буде і далі так розвиватиметься, як зараз, то в майбутньому потреба в енергії стане величезною. Якщо виробництво продовольства буде йти в ногу із зростанням населення, то до 2010 р. виробництво азотних добрив має збільшитися у 100 разів. Одне лише це зажадає близько 20% обсягу нині виробленої енергії. Опріснення вода, яка часто розглядається як невід'ємна частина майбутнього, для свого отримання вимагає величезних витрат енергії.

Середньорічне споживання енергії збільшується на 5,7%. Якщо цей темп збережеться, то до 2010 р. витрата енергії в порівнянні з 1980 р. збільшиться в 4,5 рази. Основним джерелом отримання енергії в світі дає 97% її кількості є викопне паливо, в тому числі 38% становить вугілля, 19%-пріродньгй газ і 10% - нафта. 2% електроенергії виробляється на ГЕС, а інші джерела, такі як ядерний розпад, деревина та інші виробляють 1% енергії [15, 32] (рис. 1).

Нафти вистачить ще приблизно на 80 років. Всі запаси нафти розвідані. Розробляються зараз нові родовища в Північному морі володіють обмеженими запасами. Ці запаси недостатні для того, щоб забезпечити передбачуване зростання споживання енергії в Західній Європі, який подвоюється кожні 8-10 років. 2 / 3 видобутих запасів зосереджені в Перській затоці. Решта знаходиться в Росії, Північній Америці та Африці. Нафтова проблема ще більше ускладнюється в результаті низькоефективних способів видобутку нафти. Місцями з надр землі береться тільки 30-35% нафти. Оскільки ціни на неї ростуть, економічно ефективною може стати вторинна видобуток, що дозволить підняти на поверхню 40-45% нафти.

Запаси природного газу більш обмежені. Вони приблизно рівні запасам енергії залишилися вугільних родовищ. Близько 1 / 5 всіх запасів природного газу зосереджена в Північній Америці, 1 / 3 в Росії.

Основним джерелом енергії викопного палива є кам'яне вугілля. З усіх світових запасів вугілля 52% - зосереджені в Росії, 20% - в США, 9% - у Китаї, 8% - в Канаді, 5% - у Західній Європі, решта-в Океанії, Центральній і Південній Америці (рис. 2 ).

Рис.2. Розподіл покладів світових запасів вугілля по країнах

Близько 97% вугілля можна витягти тільки за допомогою спорудження глибоких шахт. Хоча вугілля і багато, він не є дешевим джерелом енергії. Перевезення, праця, капіталовкладення при будівництві нових глибоких шахт, контроль за забрудненням води і повітря - все це збільшує вартість вугілля. Все сказане вище досить для того, щоб переконатися в необхідності переходу людства на нові види енергії, не пов'язані зі спалюванням традиційного палива. Для зручності розгляду питань пошуку нових джерел енергії здається доцільним, перш за все, всі існуючі на земній кулі енергетичні системи, використання яких здійснюється або потенційно може здійснюватися людиною, розділити умовно на два типи:

  • системи, засновані на поновлюваних джерелах енергії;

  • системи, засновані на невідновлюваних джерелах.

Кожен тип, у свою чергу, можна підрозділити на кілька видів енергетичних систем.

Таблиця 2 Енергетичні системи, придатні для використання людиною

виду

Енергетичні системи

Тип I (засновані на поновлюваних джерелах енергії)

1.

На: гравітаційних силах; молекулярному русі; русі припливів і хвиль; русі повітря; геотермальних силах

2.

фотосинтезі рослині; життєдіяльності організму

3.

фотохімічних, фотоелектричних і термоелектричних процесах

Тип II (засновані на поновлюваних джерелах енергії)

1.

На: спалюванні радіаційного палива

2.

внутрішньоядерних процесах

3.

біохімічному перетворенні енергії

4.

водневому паливі

Системи пов'язані з першого виду, малоперспективні, незважаючи на їх екологічну чистоту. На початку століття, за наявними оцінками, вони зможуть задовольнити світові потреби лише на 5 - 10% [14, 29].

2.5 Повідомлення 5. Виконується учнями, на основі матеріалів, наданих учителем

Вплив водневої енергетики на навколишнє середовище

При розгляді основних принципів водневої енергетики та її впливу на навколишнє середовище, не можна обмежуватися лише забрудненням повітря, так як це не єдиний тип забруднення. При порівнянні різних енергетичних джерел слід обговорити й інші аспекти. Під цим можна розуміти ефективність джерел енергії, тому важливо зіставити водневу енергетику з іншими енергетичними системами, такими як вугілля - синтетичне паливо, атомна енергія - водень, атомна енергія - електрика і др.С точки зору охорони навколишнього середовища варіанти водневої енергетики оцінюються вище старих енергетичних систем, що використовують копалини палива. Заслуговує на увагу той факт, що, хоча енергетична система сонячна система - водень найбезпечніша по відношенню до навколишнього середовища, все ж система сонячна енергія - електрика буде ефективніше, оскільки в ній використовується менша кількість матеріалів. Передбачається що система сонячна система - водень буде працювати в поєднанні з фотогальванічними елементами, в яких витрачається велика кількість кремнію. Тому, якщо система море-сонце або з вітрової енергією, то вплив на навколишнє середовище буде менше, і енергетична система сонячна система - водень буде більш прийнятною, ніж система сонячна система - електрика [13].

2.6 Повідомлення 6. Виконується учнями

Д Додаткова відомості про застосування водню в побутових цілях

Вся енергія, призначена для побутових цілей, може бути отримана з водню (освітлення, опалення і приготування їжі). Однак це не найоптимальніший шлях застосування водню.

Освітлення, опалення і приготування їжі. Для освітлення не обов'язково застосовувати електрику, можна скористатися «холодним світлом», одержуваних при взаємодії водню з фосфором. Для приготування їжі, опалення приміщень може бути використаний спеціальний керамічний матеріал. Проте опалення приміщень краще здійснювати за допомогою електричних насосів.

Електрика в домі. Мабуть, при впровадженні водневої енергетики зменшиться споживання електроенергії у житлових будинках. Знизяться витрати на роботу різних електронних пристроїв. Однак для постачання воднем будинків необхідно повністю переобладнати трубопроводи, пальники і велику частину іншого устаткування [12].

Переробка стічних вод. Зазвичай стічні води повинні пройти по трубопроводах кілька, перш ніж потраплять на спеціалізовані станції з їх переробки. Є ряд способів переробки сміття і стічних вод із застосуванням метану, який потім може бути використаний при вторинному виробництві енергії. При подачі кисню по трубопроводу стічні води можуть бути піддані аеробного обробці: при температурі близько 100 ° С і взаємодії з чистим киснем, утворюється СО 2 [1].

2.7 Повідомлення 7. Виконується учителем при укладанні теми

П ymu розвитку водневої енергетики

Слід відразу встановити, що переваги водневої енергетики можуть бути досягнуті тільки шляхом постадійного впровадження цієї енергетики (дослідження, проектування, створення дослідної установки, невелика перевірка, більша перевірка і, нарешті, повний перехід на водневу енергетику). На першій стадії в якості джерела для отримання водню можна використовувати вугілля, який при нагріванні з водою утворює суміш СО і Н 2; СО потім буде окислом до СО 2 і викинутий в атмосферу, а Н 2 доставлять по трубопроводу па найближчу установку. Тут він може бути використаний для отримання електрики.

У другій стадії в якості джерела енергії для одержання водню може бути використана ядерна установка; утворюється водень потім буде доставлятися в місто і застосовуватися для отримання електроенергії або для роботи частини транспорту.

На третій стадії може бути використаний маленьке місто (наприклад, з населенням 10 000), де буде побудована станція для збору сонячної енергії. Якщо це гориста місцевість, можна встановити експериментальні великі аерогенератори.

Важливою є четверта стадія освоєння, на здійснення якої необхідні суми, які обчислюються мільярдами. На цій стадії слід перевести частину енергетики на водень, наприклад, житлово-комунальне господарство, транспорт, промисловість [8].

Екологічна "чистота" водню не викликає сумнівів, якщо врахувати, що практично єдиним, продуктом його згоряння є вода і що в цьому випадку повністю відсутні характерні для вуглеводневих палив забруднюючі атмосферу сполуки типу діоксидів вуглецю та сірки, а також парів вуглеводнів. Крім того, водень - це і досить калорійне паливо. За теплотам згоряння (34 ккал / г) він набагато перевершує такі класичні види палива, як вуглеводні (10 ккал / г) і деревина (4 ккал / г). Звичайно, не можна не враховувати і великі труднощі, пов'язані з рішенням і ряду додаткових завдань, таких, як:

а) пошук та розробка первинних джерел енергії, які можуть бути використані для синтезу водню;

б) безпека зберігання, транспорту і великих кількостей газоподібного та рідкого водню;

в) ефективне перетворення енергії водню при вирішенні низки
конкретних енергетичних завдань.

Якщо говорити про пошуки і розробках первинних джерел, кото-
які можуть бути використані для синтезу водню, то, ймовірно, слід
почати з найпростішого способу, відомого кожному, хто хоча б трохи
знайомий з хімією, - взаємодії кислот і основ з металами:
Zn + (2HCl) aq → (ZnC1 2) aq + H 2

Аl + (2NaOH) aq → (NaAIО 2) aq + 3/2H 2

У плані подальшого викладу дуже важливо підкреслити, що перспективними для створення водневої енергетики можуть вважатися тільки способи, засновані на використанні води в якості вихідної сировини. Тому надалі при написанні тих чи інших рівнянь хімічних реакцій індекс "aq", що характеризує водне середовище, буде опускатися. Процес незворотній і для отримання металу з утворених оксидів (Для повторного їх застосування) вимагає значних витрат енергії.

Заслуговують уваги три варіанти отримання водню з органічної сировини. Один з них - парова конверсія металу, що є головним компонентом природного газу:

СН 4 + Н 2 О → СО + 3Н 2 - 50 ккал

СО + Н 2 О → СО + Н 2 + 10 ккал

______________________________

СН 4 + 2Н 2 О → СО 2 + 4Н 2 - 40 ккал

Другий більш досконалий варіант грунтується на парокіслородной конверсії:

2СН 4 + О 2 → 2СО + 4Н 2 + 16 ккал

СН 4 + Н 2 О → СО + 3Н 2 - 50 ккал

______________________________

7СН 4 + 3О 2 + Н 2 О → 7СО + 15Н 2

Подальший процес, пов'язаний з конверсією СО, протікає, як і в першому варіанті. Проте, як випливає з рівнянь в обох варіантах, потрібно витрата великих кількостей дефіцитного природного газу як вихідної сировини.

Третій варіант заснований па використанні процесу газифікації вугілля:

тв + О 2 → 2СО + 55 ккал

З ТВ + Н 2 О пар → СО + Н 2 - 30 ккал

Комбінацією цих двох реакцій можна отримати суміш СО і Н 2, на-зване "водяним газом". Останнім часом метод отримання водню з води і вугілля вважається одним з найбільш перспективних. Дуже перспективним, на думку фахівців, є варіант використання водяної пари для відновлення оксидів заліза при 800-900 ° С:

2Fе з О 4 + СО + Н 2 → 6FеО + Н 2 О + СО 2 - 22 ккал

з наступною обробкою Fe () водяною парою при 600-700 ° С. Після конденсації водяної пари можна отримати чистий водень:

3 FeO + Н 2 О → Fe з О 4 + Н 2 + 16ккал

Економічність процесу тут зростає внаслідок того, що остання реакція екзотермічни і дозволяє деяка кількість тепла, що виділяється використовувати для нагріву водяного газу до температур, при яких відповідно до даної реакцією має місце відновлення оксидів заліза. Незважаючи на певні труднощі, железопаровой варіант отримання водню приваблює в даний час увагу великої кількості дослідників у всіх країнах світу, оскільки пов'язаний з можливістю використання дешевих низькосортного вугілля в якості відновника водяного газу. Здавалося б, найпростішим і чистим способом отримання водню повинен бути електролізний спосіб, безпосередньо розщеплює молекулу води па водень і кисень. Однак цей процес сам потребує багато електричної енергії та економічно поки залишається невигідним.

Глава 3. ОСОБЛИВОСТІ ВИВЧЕННЯ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ В СЕРЕДНІЙ ШКОЛІ (НА ПРИКЛАДІ ВОДНЮ)

У сучасному світі деколи виникають ситуації, які становлять реальну небезпеку для людства. Найчастіше люди самі сприяють їх виникненню або через недогляд, або з - за браку інформації. Поодинці з такими ситуаціями не впорається, проте правильний вибір дій у критичній обстановці забезпечується наявністю певних знанні і умінням їх використовувати. Тому, на мій погляд, важливо обговорити питання екології та безпеки людини на уроках. Однак шкільна програма та підручники не мають достатнім обсягом інформації. Учитель сам повинен через поурочні планування та позакласні заходи заповнити ці недоліки. Він може застосувати такі форми роботи на уроках: співбесіда, семінар, урок - практикум, рольова гра, в будь-якому випадку учні можуть проявити активність, самостійність, застосувати знання, а також поглибити їх. Подібний підхід дозволяє учням краще засвоїти нову тему і формує у них цілісне сприйняття навколишнього світу.

Уроки розроблені для учнів 8 класів.

3.1 Водень

Урок 1.

Тема уроку: Водень у природі.

Водень як хімічний елемент. Отримання водню.

Мета: 1. Ознайомити учнів з елементом воднем і його номенклатурою.

  1. Отримання водню різними способами.

  2. Розглянути водень з екологічної точки зору

Тип уроку: Комбінований.

Вид: Вивчення нового матеріалу.

Методи: Словесні, практичні.

Обладнання: у чебнік, малюнки в підручнику, оформлення дошки, таблиці, "періодична таблиця Менделєєва"

План уроку.

  1. Водень у природі. - 30 хв.

  2. Водень з екологічної точки зору.

  3. Водень як хімічний елемент.

1. 4. Отримання водню різними способами.

  1. 2.1 Закріплення. - 5 - 7 хв.

    3.1 Домашнє завдання. - 3 хв.

    Хід уроку:

    I. Організаційний момент.

    II. Нова тема:

    1. Водень у природі.

    Водень це другий елемент, який ми будемо вивчати.

    Експрес - опитування класу: "Що ви знаєте про цей елемент?"

    Водень найпоширеніший елемент всесвіту, на його частку припадає 92% всіх атомів, він є головною складовою частиною Сонця і багатьох зірок. У земній корі його масова частка становить 1%. Водень найлегший елемент в природі, тому його роль визначається не масою, а числом атомів. Частка його атомів в природі становить 17%, це друге місце після кисню, якого в природі 52%. Таким чином, роль водню в природі також велика, як і кисню.

    2. Водень з екологічної точки зору.

    Водень в природі знаходиться весь у зв'язаному стані, тобто у вигляді хімічних сполук. Хімічний знак водню Н. Формули основних сполук водню зустрічаються в природі: Н 2 О вода, метан СН 4, інші вуглеводні С Х Н Х, H 2 S сірководень, аміак NH 3. З'єднання кисню і водню - вода є основою життя. Сірководень - це газ, який виділяється з надр Землі, крім цього заводські труби викидають його в атмосферу у великих кількостях. Він же з'єднуючись з водяними парами, викликає кислотні дощі, які знищують зелені рослини. Аміак і метан так само шкідливі для здоров'я людини. Але в теж час метан, в порівнянні з іншими видами палива, є більш нешкідливим в екологічному відношенні.

    Чистий водень виходить хімічним шляхом. Він горить з виділенням великої кількості тіла. Водень "паливо майбутнього" т. к. є екологічно чистим, при його згорянні утворюються водяні пари не отруйні атмосферу.

    3. Водень як хімічний елемент можна розглянути, використовуючи сторінку 62 в підручнику хімії.

    Рішення завдання: Обчислити масову частку водню у воді.

    W = A r * n / M 2; W (н) = А Г (Н) n (Н) / М (Н 2 О) = 1 * 2 / 18 = 0,11 або 11%

    Порівняти значення масової частки з атомної часткою.

    Номенклатура сполук неметалів з ​​воднем
    назва металу + ... сполуки містять кисень .. +. водень

    приклад: сірководень Н 2 S сірка + кисень + водень

    Номенклатура, з'єднань, металів з ​​воднем:

    гідрид + назва металу

    гідрид алюмінію

    гідрид міді

    гідрид заліза

    4. Отримання водню.

    Один із способів отримання водню розкладання води під дією постійного електричного струму:

    2H 2 O → 2 H 2 + O 2

    У лабораторії водень отримують при взаємодії деяких металів з ​​кислотами. Наприклад: цинку і соляно кислоти. Для цього використовується спеціальний прилад, зображений в підручнику на рис.41 стор.63. Запишемо рівняння реакцій:

    Zn + 2 HCI = ZnCl 2 + H 2

    цинк соляна к-та хлорид цинку водень

    Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + Н 2

    цинк сірчана к-та сульфат цинку водень

    Водень виділяється також при взаємодії активних металів натрію і кальцію з водою:

    2 Na +2 HOH = 2 NaOH + Н 2

    натрій вода гідроксид натрію водень

    Са + 2НОН = Са (ОН) 2 + Н 2

    кальцій вода гідроксид кальцію водень

    Дослідним шляхом встановлено, що з молекули води витісняється тільки один атом водню і утворюється одновалентна група ОН - гидроксогруппа, яка з'єднується з атомом металу. Число гидроксогрупп залежить від валентності металу. Утворені сполуки відносяться до підстав і називаються гідроксидами.

    У промисловості водень отримують з метану:

    СН 4 + 2Н 2 О = СО 2 ↑ + 4Н 2

    При цьому виділяється вуглекислий газ і водень. Вуглекислий газ при надходженні в атмосферу забруднює її, викликає посилення парникового ефекту. Тому необхідно при отриманні водню в промисловості вловлювати вуглекислий газ.

    2. Закріплення.

    3. Домашнє завдання. Учні повинні відповісти на питання 1 - 5 в підручнику на стор 66.

    Урок 2.

    Тема уроку: Властивості і застосування водню.

    Мета: Розглянути фізичні і хімічні властивості водню.

    Тип уроку: Комбінований.

    Вид: Вивчення нового матеріалу.

    Методи: Словесні, практичні.

    Обладнання: Підручник, малюнки в підручнику, таблиці.

    План уроку.

    1. . Перевірка домашнього завдання .- 8 хв.

    2. . Нова тема: фізичні і хімічні властивості водню. Застосування.

    3. . Закріплення - 7хв.

    4. . Підведення підсумків уроку і домашнє завдання

    Хід уроку.

    I. Організаційний момент. Перевірка домашнього завдання. Опитування. - 8 хв.

    II. Нова тема .- 25 хв.

    Водень.

    1. Фізичні властивості розглянемо в порівнянні з киснем (таблиця на дошці).

    Водень

    Кисень

    1. без запаху

    1. без запаху

    2. без кольору

    2. без кольору

    3. мало розчинний у воді

    3. мало розчинний у воді

    4. легший за повітря в 14, 5 разів

    4. важчий за повітря

    5. T кип = - 253 º С

    5. T кип = - 183 º С

    6. ρ н.у.2) = 0, 09 г / л

    6. ρ н.у.2) = 1, 43 г / л

    Хімічні властивості водню:

    а) реакції з металами:

    Ti + Н 2 = TiH 2 Са + Н 2 = Сан 2

    б) реакції з неметалами:

    F 2 + H 2 = 2 HF H 2 + O 2 = 2 H 2 O

    в) реакції зі складними речовинами:

    З u О + Н 2 = С u + Н 2 О WO 3 + ДТ 2 = ДТ 2 О + W

    Звідси випливає висновок, що при звичайних умовах водень може вступати в реакцію тільки з дуже активними речовинами. Взаємодіє з металами з утворенням гідридів. Взаємодіє з неметалами. Є відновником. Хімічна активність його нижче, ніж у кисню. При звичайних умовах реагує тільки з дуже активними металами і з єдиним неметаллом - фтором. З більшістю речовин реагує тільки при підвищеній температурі або іншому впливі.

    Застосування розглянути за допомогою схеми 7 в підручнику на стор 66.

    3. Закріплення теми рішенням розрахункової завдання: Один із способів отримання водню в лабораторії взаємодія цинку з соляною кислотою. Скільки грам цинку необхідно для отримання 10 л водню?

    Х 10 л

    Zn + 2 HCI = ZnCl 2 + H 2

    65 г 22, 4 л

    Складаємо пропорцію:

    Х/65 г = 10 л/22, 4; Х = 65 г * 10 л/22, 4 л = 29 г цинку.

    4. Домашнє завдання: відповіді на питання 6-11 в підручнику на стор 67.

    Урок 3.

    Практичне заняття.

    Тема роботи: отримання водню і проведення реакції його з оксидом міді (II).

    Мета роботи: 1) Отримати водень в лабораторних умовах.

    1. Провести його реакцію з оксидом міді (II).

    2. Вивчити горіння водню на повітрі.

    3. Вивчити продукти взаємодії Zn з соляною кислотою.

    I. У иполненіе роботи.

    1. Отримання і збирання водню.

    Зібрали прилад. В пробірку помістили 3 гранули цинку, щільно закрили пробку і через лійку налили соляну кислоту. Спостерігали виділення бульбашок газу, тобто водню.

    Zn + 2НС1 = ZnCl 2 + Н 2

    Водень збирали в перевернутій пробірці, поступово витісняючи воду. Після того, як пробірка наповнилася, закрили її пальцем і піднесли її до пальника. Водень загорівся спокійно бавовни не було. Це означає, що зібраний водень був чистий.

    2. Вивчення горіння водню на повітрі.

    Підпалили водень лучинки у кінця газової трубки. Водень загорівся спокійним полум'ям. На скляній платівці конденсувалася вода.

    2 + О 2 = 2Н 2 О.

    3.Изучение взаємодії водню з оксидом міді (II). В пробірку помістили кілька шматочків оксиду міді чорного кольору. З'єднали з приладом для отримання водню. Пропустили струм водню, ніяких змін не спостерігали. Почали нагрівати пробірку з оксидом міді, почалася реакція. Спостерігали зміна кольору, чорний колір змінився і став червоним. На стінки пробірки конденсувалася вода.

    Н 2 + С u О = С u + Н 2 О.

    На даному досвіді ми вивчили відновні властивості водню. Водень відновлює мідь з оксиду.

    4. Вивчення продукту реакції цинку з соляною кислотою.

    За допомогою скляної палички перенесли кілька крапель розчину з пробірки з цинком і соляною кислотою на скляну платівку і упарити його. На склі залишився білий порошок хлориду цинку.

    Zn + 2 HC 1 = ZnCl 2 + H 2 t. Продукти реакції - хлорид цинку (ZnCl 2) і водень (Н 2).

    II. Домашнє завдання.

    Оформити практичну роботу.

    Урок 4.

    Контрольна робота.

    Тема уроку: Узагальнення та систематизація знань, умінь, навичок учнів за темами "Кисень", "Водень" "Газоподібні речовини".

    Мета: Перевірити хімічні властивості, одержання і застосування цих елементів.

    Хід уроку.

    I. Організаційний момент. Перевірка домашнього завдання.

    Варіант 1.

    1. Скласти рівняння хімічних реакцій:

    а) кисню з сіркою. Вказати окисник.

    б) водню з оксидом міді (II). Вказати відновник.

    2. Скласти рівняння хімічних реакцій, вказати умови їх перебігу.

    О 2 → Н 2 О → Н 2 → НС1 хлорид кальцію

    3. а) дописати рівняння реакції: Н 2 О 2 → Н 2 О +? Вказати застосування цієї реакції.

    б) Скласти рівняння реакції між соляною кислотою і залізом. Дати назву отриманими з'єднанням.

    4. Вирішити задачу:

    Розрахувати обсяг оксиду вуглецю (IV), отриманого в результаті згоряння на повітрі 24 м. вуглецю.

    Варіант 2.

    1. Скласти рівняння хімічних реакцій:

    а) водню з киснем.

    б) кисню з метаном (СШ).

    2.Составіть рівняння хімічних реакцій, вказати умови їх перебігу.

    СО 2 → О 2 → WO 3 → W

    А1 2 О 3

    3. а) дописати рівняння реакції: НС1 + Zn → ZnCl 2 +? З якою метою використовується ця реакція в лабораторії?

    б) скласти реакцію розкладання води. Вказати її застосування.

    4. Вирішити завдання: Який об'єм кисню потрібно для окислення 1,5 моль сірки?

    Варіант 3.

    1. Скласти рівняння хімічних реакцій:

    а) водню з кальцієм. Дати назву продукту.

    б) кисню з ацетиленом.

    2. Скласти рівняння хімічних реакцій за схемою:

    оксид вуглецю (IV) + Н 2 О озон

    + C 2 H 5

    KMnO 4 → кисень → оксид заліза (III)

    ↓ ↓

    оксид літію залізо

    3. а) дописати рівняння реакції: H 2 SO 4 + Fe → FeSO 4 +?

    б) скласти реакцію взаємодії водню з сіркою. Дати назву продукту.

    3. Скласти та розв'язати задачу за наведеними даними: V (Ca) = 3 моль; m (Сан 2) -?

    Тестова контрольна робота.

    Варіант 1.

    1. Водень реагує з обома речовинами пари:

    а) Н 2 О і Са б) Na і NH 3 в) Fe 2 O 3 та О 2 г) WO 3 і С H 4

    2. У рівнянні реакції горіння алюмінію запис його правій частині:

    а) за1 2 О 3 б) А1 2 О 3 в) 2А1 2 О 3 г) 4А1 2 О 3

    3. Скласти рівняння реакції і вказати коефіцієнт перед формулою відновника. Реакція оксиду вольфраму з воднем:

    а) 1, б) 2; в) 6; г) 3.

    4. Обсяг кисню, необхідний для окислення 2 моль цинку, становить (н.у.):

    а) 22.4 л, б) 11.2 л; в) 44.8 л; г) 5.6 л;

    Варіант 2.

    1. Водень реагує з обома речовинами пари:

    а) С1 2 і Р b Про б) О 2 і HCI в) З u О і Н 2 О г) З H 4 і Na

    2. У рівнянні реакції горіння етану вірна запис його правій частині:

    а) 2СО 2 + ДТ 2 О б) 4СО 2 + 6Н 2 в) 2СО 2 + ДТ 2 г) 4СО 2 + 6Н 2 О

    1. Скласти рівняння реакції і вказати коефіцієнт перед формулою відновника. Реакція оксиду олова з воднем:

    а) 1, б) 2; в) 3 г) 4.

    1. Обсяг кисню, необхідний для окислення 1 моля алюмінію, становить (н.у.): а) 22.4 л; б) 16.8 л; в) 11.2 л; г) 5.6 л.

      Варіант 3.

      1. Водень реагує з усіма речовинами групи:

      а) оксид вольфраму, вода, кальцій, б) оксид заліза (III), азот, кисень, в) метан СН4, калій, вуглець; г) оксид міді (II), фтор, хлороводень.

      1. У рівнянні реакції горіння аміаку NH 3 вірна запис його правій частині: a) 2 N 2 + 6Н 2 О; б) 3 N 2 + Н 2 О, в) 4 N 2 + 6Н 2 О; г) N 2 + ЗН 2 О.

      2. Скласти рівняння реакції і вказати коефіцієнт перед формулою відновника. Реакція оксиду молібдену (VI) з воднем:

      а) 2; 6) 3, в) 4; г) 6.

      4. Скласти та розв'язати задачу за наведеними даними:

      V (Р) = 2моль; m (Р 2 О 5) -?

      а) 284 г; б) 142 г; в) 14.2 г; г) 28.4 р. [1]

      Для реалізації цілей шкільного екологічної освіти можна використовувати рольові уроки. Перевагою цих уроків є те, що учні в ігровій формі закріплюють і узагальнюють отримані знання з хімії, а також розуміють актуальність екологічних особливостей пов'язаних з досліджуваною темою.

      ОБГОВОРЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ЕКСПЕРИМЕНТУ

      В експерименті брали участь учні 9 класів МОУ СЗШ-гімназії № 1 м. Нальчик (вибіркова сукупність складала 45 школярів).

      В експериментальних класах при розкритті теми «Альтернативна воднева енергетика» були проведені розроблені уроки, наведені в розділі 3. Заняття проводилися з акцентом на прикладні та екологічні аспекти.

      Для констатації результату після проведення розроблених занять були проведені контрольні роботи, що складаються з тестів, які наведені в розділі III. Результати експерименту в школі наведені в діаграмах, відображають зміни якості знань та успішності в контрольному (9 г) і експериментальному (9 в) класах.

      Діаграма 1. Зміна успішності учнів

      Діаграма 2. Динаміка успішності та якості навчання

      Таким чином, обрана тематика сприяла підвищенню якості знань, наукового та екологічного світогляду, а головне викликала інтерес учнів до більш глибокого вивчення хімії.

      ВИСНОВОК

      В даний час шкільний курс хімії немислимий без екологічного боку. Протягом свого тривалого життя на Землі людство значною мірою залежало від сонця як джерела енергії. Його потреба в енергії, в основному в їжі, прямо або побічно задовольнялася фотосинтезом [21].

      Тільки зовсім недавно людина потрапила у сильну залежність від викопного палива. Тому розгляд кожної теми має, так чи інакше, мати точки зіткнення з екологією. Екологічне виховання дітей стає глобальною проблемою методики навчання хімії. У гонитві за надлишком енергії чоловік все глибше занурювався в стихійний світ природних явищ і до якоїсь пори не дуже замислювався про наслідки своїх справ і вчинків. Але часи змінилися. Зараз, на початку 21 століття, починається новий, значний етап земної енергетики. З'явилася енергетика «щадна», побудована так, щоб людина не рубав сук, на якому він сидить, дбав про охорону вже сильно ушкодженої біосфери. Безсумнівно, у майбутньому паралельно з лінією інтенсивного розвитку енергетики отримають широкі права громадянства і лінія екстенсивна: розосереджені джерела енергії не дуже великої потужності, але зате з високим ККД, екологічно чисті, зручні в зверненні. Яскравий приклад тому - швидкий старт електрохімічної енергетики, яку пізніше, мабуть, доповнить енергетика сонячна. Енергетика дуже швидко акумулює, асимілює, вбирає в себе всі самі новітні ідей, винаходи, досягнення науки. Це й зрозуміло: енергетика, пов'язана буквально з Усім, і Все тягнеться до енергетики, залежить від неї. Тому енергохімія, воднева енергетика, космічні електростанції, енергія, запечатана в антиречовину, кварках, «чорні діри», вакуумі, - це всього лише найбільш яскраві віхи, штрихи, окремі рисочки тою сценарію, який пишеться на наших очах і який можна назвати Завтрашнім Днем Енергетики.

      Таємничі переходи, вузькі, звивисті стежки. Повні загадок,

      перешкод, несподіваних осяянь, криків суму і поразок, кліків радості і перемог.

      У вибраній нами темі розглядається вирішення енергетичної проблеми людства шляхом впровадження водневої енергетики. Розповідь про енергію може бути нескінченний, як і нескінченні альтернативні форми її використання, але за умови, що ми повинні розробити для цього ефективні і економічні методи. Не так важливо, яка ваша думка про потреби енергетики, про джерела енергії, її якості, і собівартості. Нам, мабуть, слід лише погодитися з тим, що сказав вчений мудрець, ім'я якого залишилося невідомим.

      «Немає простих рішень, є тільки розумний вибір»

      Звичайно, практично учням неможливо продемонструвати весь процес отримання енергії з водню. Але схематично, з використанням методів порівняння з іншими джерелами енергії, цікавими повідомленнями на цю тему можна цілком доступно пояснити суть водневої енергетики. При проходженні теми «Водень» паралельно з вивченням способів виробництва, хімічних властивостей та застосування розглядаються і зв'язок водню з енергетикою. І звичайно виявлення таких важливих зв'язків хімії з промисловістю, з енергетикою зацікавлює учнів.

      Крім того, на факультативних заняттях з екології при розгляді проблем енергетики важливо підкреслити актуальність даного виду джерела енергії.

      ВИСНОВКИ

      Можна зробити кілька висновків з розгляду проблеми

      1. Проблеми екології. Зокрема, проблеми енергетики, вимагають термінового вирішення. Гостроту цього питання необхідно довести до свідомості школярів і спантеличити їх пошуком шляхів вирішення.

      2. При розгляді теми «Водень» необхідно підвести учнів до розуміння водневої енергетики як одного з найбільш перспективних методів вирішення енергетичної проблеми.

      3. На факультативних заняттях можна розглянути основні проблеми, які виникають при використанні водню як джерела енергії.

      ЛІТЕРАТУРА

      1. Реймерс Н. Ф. Екологія (теорія, закони, правила, принципи і гіпотези). / / Росія Молода. 1994. 367 с.

      2. Верховський В. Н., Смирнов А. С. Техніка хімічного експерименту. - М., 1973, 683 с.

      3. Кузьменок Н. М., Стрельцов Є. А., Кумача А. І. Екологія на уроках хімії. Мінськ. 1996. 208 с.

      4. Екологічна хімія. Під. Ред. Ф. Корте. М.: Мир. 1997. 396 с.

      5. Багів М. С. Концепції природознавства та основи екології. Нальчик: «Ельбрус». 1997. 287 с.

      6. Ніфанов Е. Е. Прикладна спрямованість вивчення хімії в середній школі / / Ж.. Хімія в школі, 1994, № 4, ст. 18.

      7. Назаренко В. М. Екологія сходження до розуму / / Ж.. Хімія в школі, 1995, № 4, ст. 10.

      8. Екологізованих курс хімії від теми до теми / / Ж.. Хімія в школі, 1996, № 1 ст. 29; 1996, № 2 ст. 31; 1996, № 4 ст. 36; 1996, № 6 ст. 18.

      9. Глобальне потепління: Доповідь Грінпіс / Під. ред. Дж. Леггетт. Пер. з англ. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 272 с.

      10. Варшавський І. Л. енергоакумулюючих речовини і деякі принципи їх використання для транспорту, енергетики та промисловості. - М.: Наука, 1970. - 51 с.

      11. Грінпіс / Під. ред. Дж. Леггетт. Пер. з англ. - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 272 с.

      12. Володін В., П. Хазановський «Енергія, століття двадцять перший». А. Голдін «Океани енергії». Л.С. Юдасин «Енергетика: проблеми і надії».

      13. Буркова І.І. Основи загальної екології та охорона навколишнього середовища. - Ч. 1. - Норильськ, 1977.

      14. Охорона навколишнього середовища. Під ред. С. В. Бєлова. - М., 1991.

      15. Богдановський Г. А. Хімічна екологія: Учеб. Посібник. - М.: Изд-во МГУ. 1994. - С. 136-137.

      16. Малишенко С. П., Інститут високих температур РАН, Журнал «Енергія», № 1, 2003.

      17. Піхота Ф. Н., Мінпромнауки РФ, Журнал «Енергія», № 1, 2003, С. 2-8.

      18. Хімія і життя. Частина II. Під. ред. Тарасової Н. П., РХТУ ім. Менделєєва. 1997. 351 з.

      19. Суровцева Р. П. Хімія. 8-9 класи: Методичний посібник. - 5 - е вид., Стереотип. - М.: Дрофа, 2001. - 80 с.

      20. Алексашина І. К., Л. А. Гольденберг. З досвіду підготовки учнів до колективної діяльності на уроці хімії. / / Хімія в школі. 1991. № 4, с. 31-34.

      21. Планування з хімії / / Вечірня школа. 1989. № 4.

      22. Кузнєцова Н. Е. Формування систем понять у навчанні хімії. - М.: Просвещение, 1989. - 144 с., С. 3-4, 17-22, 25-30.

      23. Блонський Л. Л. Вибрані педагогічні та психологічні твори: У 2 т. - М.: Педагогіка, 1979. - Т. 2. - С. 300.

      24. Шаповаленко С. Г. Методика навчання хімії. - М.: Учпедгиз, 1963.

      25. Архипова В. В. та ін Теоретичні основи і практика колективних занять. Л., 1991.

      26. Зуєв А. В. Навчання хімії в 9 класі. Посібник для вчителя.

      27. Загальна методика навчання хімії. Під. ред. Л. А. Цвєткова, М. - Просвітництво, 1981, 223 с.

      28. Солдатенков І. С. Використання традиційних і технічних засобів на уроках хімії, Мінськ, 1973, с. 69.

      29. JOM Bockris, A Solar - Hydrogen Economy, ANZ Book Co., Brook - vale, New South Wales, 1975, Ch. 8.

      30. Lawaczek (1930), quoted by RO Lingstrom, ASEA Journal, 37 (1): (1964); also quoted by EW Justy, Leitungsmechanismus und Energieumwanlung in Felskorpen, Vandehoeck and Ruprecht, gottingen, 1965.

      31. JOM Bockris, A Solar - Hydrogen Economy, ANZ Book Co., Brook - vale, New South Wales, 1975, Ch. 14.

      32. DP Greodgy, DYC Ng, and GM Long, in Electrochemistry of Cleaner Environments, J, OV Bockris, ed., Plenum Press, New York, 1972.

      Додати в блог або на сайт

      Цей текст може містити помилки.

      Хімія | Диплом
      244.9кб. | скачати


      Схожі роботи:
      Альтернативна воднева енергетика як елемент шкільного розділу хімії Фізико хімічні властивості
      Воднева енергетика та паливні елементи
      Атомно-воднева енергетика шляху розвитку
      Альтернативна енергетика на Алтаї
      Фізико хімічні властивості бензину
      Фізико-хімічні властивості бензину
      Склад і фізико-хімічні властивості молока
      Фізико хімічні процеси в чорній металургії
      Фізико хімічні основи хроматографічного процесу
      © Усі права захищені
      написати до нас