Большинство каменноугольных пластов являются газоносными, удельное содержание метана в угле достигает 40 - 50 м³/т. Главная задача угледобытчиков заключается во взрывобезопасной эксплуатации угольной шахты, поэтому утилизация шахтного метана для них имеет второстепенное значение.

Газовая отрасль является вторым после каменноугольной промышленности потребителем добываемого природного метана. При этом 10 млрд м³ СН₄ выбрасывается в атмосферу в виде организованных (технологически необходимых) и неорганизованных (утечек) выбросов.

Попутные газы нефтедобывающей промышленности сжигаются, как правило, на факельных установках и выбрасываются в атмосферу в виде СО_2.

Основное направление - сокращение выбросов и утилизация антропогенных газов - это повышение эффективности использования органического топлива. Учитывая многократное отставание Российской экономики в энергоемкости выпускаемой продукции от большинства развитых стран Запада, необходимо уже в ближайшие годы заметно снизить энергоемкость. Энергосбережение должно превратится в приоритетную национальную задачу.

Сокращение выбросов шахтного метана может быть достигнуто за счет комплексной дегазации угольных пластов, заключающейся в заблаговременной и предварительной их дегазации, а также использования оставшегося количества метана в винтиляционной струе.

2.2 Природный газ - топливо и сырье

Газообразные, жидкие и твердые углеводороды широко распространены в природе, но в большинстве случаев встречаются не в виде чистых соединений, а различных, иногда очень сложных смесей. Такими смесями являются природные газы, нефть, горные воски [15].

Утилизация попутного нефтяного газа - важное и экономически выгодное дело. Известно, что с каждой тонной добытой нефти выделяется около 50м ³ газа, который в недавние времена сжигали в факелах, причиняя двойной ущерб - теряли ценное сырье и загрязняли атмосферу. Первым предприятием, на котором стали использовать попутный нефтяной газ, стала Сургутская ГРЭС. Намечается довести использование попутного нефтяного газа до 90%. Это стало не только экономической, но и экологической необходимостью.

Метан издавна считается у шахтеров злейшим врагом. Ведь несмотря на все меры предосторожности, ежегодно от подземных взрывов в шахтах, виновником которых является метан.

Таблица 1.

Состав газообразного топлива

Компоненты	Содержание, %
Метан	75-99
Этан	0,2-6,0
Пропан	0,1-4,0
Бутан	0,1-2,0
Пентан	До 0,5
Этилен	-
Пропилен	Содержатся
Бутилен	в отдельных
Бензол	месторождениях
Сернистый газ
Компоненты	Содержание, %
Сероводород
Диоксид углерода	0,1-0,7
Оксид углерода	0,001
Водород	До 0,001

Из таблицы видно, что состав природного газа достаточно сложен, при этом содержание сероводорода или его органических производных может достигать 5 - 25%.Поэтому прежде чем транспортировать природный газ по трубопроводам или использовать в качестве топлива, его подвергают предварительной обработке - осушке от водяных паров и очистке от серосодержащих веществ, которые могут препятствовать транспортировке газа и последующим технологическим операциям, вызывая коррозию трубопроводов, образование ледяных и гидратных метановых пробок, отравление катализаторов и т.д.

В последнее время уделяется особое внимание рациональному использованию спутника газовых месторождений - газового конденсат, представляющего собой жидкость, в состав которой входят взаиморастворенные газообразные и легкокипящие жидкие углеводороды [16].

Основной компонент природного газа - метан - является промышленным сырьем для получения водорода и синтез - газа. Паровую конверсию метана проводят при высокой температуре(350-8000С) и в присутствии катализатора.

СН₄ + Н₂О -СО + 3Н₂

Полученную смесь оксида углерода и водорода называют синтез - газом. Эта смесь используется в качестве сырья для получения многих органических продуктов, например, метанола, высших спиртов, альдегидов, углеводородов.

Паровой каталитической конверсией метана получают более 75% всего используемого в промышленности водорода. Этот процесс является составной частью синтеза аммиака, который в свою очередь служит сырьем для получения азотных удобрений, красителей, азотной кислоты и т.д.

Водород из метана и других алканов можно получить и другим путем - высокотемпературным пиролизом.

Например:

СН₄ >С + 2Н₂ ^

2СН₄ >С₂Н₂ +3Н₂

При окислительном пиролизе метана в присутствии ограниченного количества кислорода высокая температура поддерживается за счет сжигания части метана: 4СН₄ +3О₂>2С₂Н₂ +6Н₂О

2.3 Метанол как источник энергии. Проблемы безопасности использования.

Последние события в мире показывают полную зависимость человечества от нефти и природного газа. Что будет, если нефть и газ закончатся? Ведь человек полностью зависит от их добычи. Но есть другой простой в обращении, удобный и безопасный в хранении носитель - метанол - жидкий кислородсодержащий углерод. Его получают из газа на основе ископаемых видов топлива.

В атмосферу метанол выбрасывается множеством источников природного происхождения. Его антропогенный выброс происходит главным образом во время испарения при использовании в качестве растворителя. В окружающей среде метанол быстро разлагается микроорганизмами с образованием СО₂ и воды. Он обладает бесконечной растворимостью в воде [17].

Метанол - бесцветная жидкость со слабым запахом спирта, что в основном и вызывает негативное отношение к нему и сдерживает применение.

Метанол, как и другие моторные виды топлива, токсичен для человека. Он быстро попадает в организм при вдыхании и через пищеварительный тракт, медленнее при воздействии на кожу [18].

Случайный выброс метанола в окружающую среду в процессе его производства, транспортировки и хранения хотя и возможен, но не принесет большого вреда по сравнению с разливом нефти или бензина. Если большое количество метанола попадет на поверхность воды, то воздействие на экосистему будет отмечаться только в непосредственной близости от места утечки. Однако он быстро разбавится водой и рассеется в воздухе под действием ветра.

При разложении метанола не остается осадков, от которых необходимо очищать пляжи и прибрежные зоны, как после утечки сырой нефти. Утечки метанола не так опасны, как утечки бензина, потому что бензин содержит токсичные и канцерогенные компоненты (например, бензол), которые очень медленно разлагаются и длительное время остаются в окружающей среде.

2.4 Проблема загрязнения окружающей среды сернистыми соединениями, содержащимися в углеводородном сырье

Функционирование нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности создает множество экологических проблем. Наиболее актуальной является проблема загрязнения окружающей среды сернистыми соединениями, содержащимися в нефтях и газах.

Сернистые соединения нефти представляют собой сложные смеси, состоящие из меркаптанов, сульфидов и дисульфидов с открытой цепью, элементной серы и сероводорода, циклических и гетероциклических соединений. Присутствие в нефти свободной серы объясняется разложением более сложных сернистых соединений, окислением сероводорода или меркаптана. Свободная сера - активный коррозирующий агент, и ее присутствие в нефти и дистиллятах нежелательно вследствие сложности очистки. Она вступает в реакции с высшими парафинами углеводородами с образованием в основном сероводорода и сероуглерода. С непредельными углеводородами сера реагирует, образуя соединения сложного строения.

Сероводород может присутствовать в попутном газе, в самой нефти, в продуктах перегонки нефти, а также в продуктах термического и каталитического крекинга, каталитического рифоринга, гидроочистки и др.

Нефть и нефтепродукты также могут содержать сернистые соединения, появляющиеся в результате очистки нефтяных дистеллятов. К ним относятся кислые и средние эфиры серной кислоты, а также сульфокислоты. Кислые эфиры представляют собой жидкости с сильными кислотными свойствами.

Наличие в углеводородном сырье меркаптанов, сероводорода и других агрессивных серосодержащих соединений, создающих специфические трудности при добыче, транспортировке, хранении и переработке, делает проблему обессеривания нефти и нефтепродуктов особо актуальной. В настоящей время в мировой нефтеперерабатывающей промышленности довольно четко обозначились два аспекта проблемы: первый связан с получением высококачественных нефтепродуктов из сернистых и высокосернистых нефтей, второй - с получением серосодержащих химикатов [19].

Глава 3 О МЕТОДИКЕ ИЗУЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ РАЗДЕЛОВ ТЕМЫ НА УРОКАХ ХИМИИ

Содержание экологизированного курса помимо теоретического материала и химического эксперимента включает расчетные и экспериментальные задачи, сюжетно- ролевые уроки, экологические игры, контролирующие задания с экологическим содержанием.

Преподавание курса может осуществляться в разных вариантах. Один предусматривает систематическое включение экологической информации в конкретные темы, другой - предполагает ознакомление учащихся с общими экологическими закономерностями и изучения химии в контексте этих представлений.

3.1 Урок. Ароматические углеводороды

Цели: Познакомить ребят с ароматическими соединениями и ароматической связью. Рассмотреть строение молекулы бензола, физические свойства и основные способы его получения. Дать понятие о видах изомерии и номенклатуре гомологов бензола. Изучить химические свойства, рассмотреть применение бензола и его гомологов.

Оборудование и реактивы: бензол, раствор перманганата калия и бромная вода, пробирки, необходимая стеклянная посуда.

Ход урока.

I. Организационный момент. Проверка домашнего задания.

Учитель начинает урок с объяснения нового материала.

II. Строение. Номенклатура и изомерия карбоновых кислот.

Формулируете определение класса ароматических УВ (или аренов) как соединений, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец. Далее подробно разъяснить понятие «бензольное кольцо» на примере молекулы важнейшего ароматического соединения - бензола.

Изучение строения молекулы и свойств бензола проводится в контексте учебника. Далее необходимо вспомнить основные химические свойства предельных и непредельных УВ.С учетом специфики класса проводим экспресс-опрос учащихся или кратко напоминаем изученный материал: Основное химическое свойство алканов - это способность к реакции замещения в определенных условиях, и инертность по отношению к растворам KMnO₄ и бромной воде. Основное химическое свойство алкенов - это способность к реакциям присоединения в определенных условиях, непредельные УВ распознают по обесцвечиванию малинового раствора KMnO₄ и исчезновению оранжевой окраски бромной воды.

Далее учитель выписывает молекулярную формулу бензола на доске и предлагает ребятам определить характер этого углеводорода. Учащиеся с легкостью делают вывод о непредельном характере бензола. Педагог выполняет демонстрационный эксперимент с раствором KMnO₄ и бромной водой. Ребята отмечают в тетрадях, что бензол не взаимодействует с данными реагентами. Учитель дополняет характеристику химических свойств бензола: оказывается, наиболее характерными для него являются реакции замещения, а в реакции соединения он вступает только в жестких условиях.

- Исходя из химических свойств бензола, какой можно сделать вывод о характере этого соединения? (По химическим свойствам бензол ближе к предельным УВ, чем непредельным.)

В результате такого подхода, учитель создал проблемную ситуацию: несоответствие молекулярной формулы бензола с его химическими свойствами.

Сообщаем, что подобный вопрос возник после открытия бензола Фарадеем еще в 19 веке и на протяжении нескольких десятков лет привлекал внимание исследователей. Пытаясь разрешить это противоречие, многие исследователи предлагали различные варианты структуры бензола. Далее знакомим ребят со структурной формулой предложенной немецким ученым Кекуле. Учитель напоминает, что подобным образом расположенные двойные связи называются сопряженными.

Вопрос о структуре бензола решился только в 20 веке, когда на помощь химикам пришли физические и квантово - механические методы исследования строения молекул. Знакомим ребят с современными представлениями о строении молекулы бензола:

1) все атомы С находятся в состоянии sp² - гибридизации, значит каждый атом С образует 3 у-связи и 1 р-связь.

2) молекула бензола представляет собой плоский правильный шестиугольник, валентные углы между связями равны 120^о

3) все углерод-углеродные связи равноценны, длина - С - С - связи равна 0,139 нм.

4) все у-связи находятся в одной плоскости.

5) 6 негибридизованных р-орбиталей атомов С расположенные перпендикулярно плоскости кольца и параллельные друг другу, перекрываются между собой и образуют единую сопряженную р-систему.

Учитель объясняет, что сочетание 6 у-связей с единой р-системой называется ароматической связью.

Запись в тетради: бензольное кольцо - это циклическая группировка из 6 атомов углерода с особым характером связи, называемой ароматической.

Для изучения физических свойств бензола, следует провести соответствующие демонстрационные опыты: представляем прозрачную склянку с бензолом, смешиваем его с водой. Для демонстрации легкоплавкости бензола, в начале урока помещаем пробирку с бензолом в стакан со льдом, затвердевший бензол показываем классу. В результате эксперимента, учащиеся выясняют, что бензол представляет собой бесцветную жидкость, нерастворимую в воде (как все УВ).

- Почему бензол при смешивании с водой переходит в верхний слой? (Очевидно, плотность бензола меньше плотности воды, поэтому бензол при смешивании с водой переходит в верхний слой.)

III. Изомерия и номенклатура гомологов бензола.

Отмечаем, что для гомологов бензола характерна только изомерия положения нескольких заместителей. Остальные виды изомерии для бензола и его гомологов не наблюдаются в виду особенностей строения бензольного кольца. Приведем тривиальные названия ближайших гомологов бензола - толуол, ксилол. Акцентируем внимание ребят на правилах нумерации заместителей: сумма цифр заместителей должна быть наименьшей.

IV. Способы получения

Сообщаем, что основными промышленными способами получения ароматических УВ является:

1) сухая перегонка каменного угля (коксование);

2) нефтепереработка.

Отметим, что некоторые сорта нефти богаты ароматическими УВ, которые отделяют простой перегонкой. Арены получают также пиролизом и каталитическим крекингом нефтяных продуктов.

Синтетические способы получения бензола и его гомологов

Способ получения	Уравнение химической реакции
Дегидрирование циклогексана	С6Н12 Рt, 300?C> С6Н6 +3Н2О()
Ароматизация алканов	С7Н16 Рt, 300?C > С6Н5 -СН3 +4Н2
Тримеризация ацетилена	3С2Н2 Сакт.,400?С> С6Н6
Синтез Вюрца	С6Н5Вr+ 2Na+Br - С2Н5AlCl3>2NaBr+С6Н5 - С2Н5
Алкирование	С6Н6 + С2Н5 -Cl AlCl3> С6Н5 - С2Н5 +HCl С6Н6 + CH2=CH2 H+> С6Н6 - С2Н5

V. Химические свойства бензола

Тип химической реакции	Уравнения химических реакций
Реакции замещения
1)Галогенирование	С6Н6+Br2 FeBr3> С6Н5Br +HBr
2)Нитрирование	С6Н6+HO - NO2H2SO4 конц> С6Н5NO2+Н2O
3)Алкилирование	С6Н6+ С2Н5 - Cl AlCl3> С6Н5 - С2Н5 +HCl
4)Ацетилирование	С6Н6+ Cl - C - CH3 AlCl3> С6Н5 - C -СН3 ? ? O O
Реакции окисления
Горение	2С6Н6+15O2>12CO2 + 6H2O
Неполное окисление	С6Н5- СН3 + 3[O] > С6Н5- СOOH + H2O
Реакции присоединения
Гидрирование	С6Н6 +3H2Pt 180?C> С6Н12
Хлорирование	С6Н6 +3Cl2 УФ> С6Н6Cl6

VI. Применение бензола и его гомологов.

Бензол используется в качестве сырья для химической промышленности. Из бензола получают растворители, лекарства, красители, ядохимикаты и др.[20]

Тесты для закрепления материала.

1. Молекула бензола состоит:

а) из четырех атомов углерода;

б) из пяти атомов углерода;

в) из шести атомов углерода;

г) из семи атомов углерода.

2. Бензол относится:

а) к углеводородам;

б) к кислородсодержащим;

в) к производным углеводородам;

г) к галогенпроизводным.

3. Бензол добывают из:

а) природного газа;

б) попутного нефтяного газа;

в) нефти;

г) кокса.

4. Бензол является источником для получения:

а) кумола;

б) пропанола;

в) этилена;

г) ацетилена.

5. В промышленности бензол получают синтетическим путем из:

а) ацетилена;

б) этана;

в) уксусной кислоты;

г) жиров.

6. Бензол вступает в реакции:

а) присоединения;

б) разложения;

в) окисления;

г) изомеризации.

7. С каким из предложенных веществ бензол не будет взаимодействовать:

а) с водородам;

б) с кислородом;

в) с металлическим железом;

г) с газообразным хлором.

8. Напишите реакцию полного горения бензола при недостатке кислорода. Коэффициент перед молекулой бензола равен:

а) 2;

б) 3;

в) 12;

г) 6.

9. Как непредельный углеводород бензол нельзя определить с помощью:

а) реакции с раствором перманганата калия;

б) реакции с бромной водой;

в) реакции гидрирования;

г) реакции с хлорной водой.

10. Сколько литров кислорода потребуется для полного сгорания 7,8 г бензола:

а) 16,5 л;

б) 16,6 л;

в) 16,8 л;

г) 16,9 л.

3.2 Урок - упражнение. Генетическая связь между различными классами углеводородов

Цель урока: Повторение и обобщение изученного материала по теме «Углеводороды». Рассмотреть генетическую взаимосвязь различных классов углеводородов.

Оборудование и реактивы: таблицы, схемы, плакаты, используемые в теме «Углеводороды».

I. Организационный момент. Проверка домашнего задания.

1) Какие соединения называются ароматическими?

2) Назовите простейший ароматический УВ, приведите его молекулярную формулу. Обесцвечивает ли бензол бромную воду и раствор перманганата калия? Почему?

3) Опишите физические свойства бензола.

4) Опишите электронное строение молекулы бензола. Сколько у- и р- связей содержится в молекуле бензола?

5) Что такое «бензольное кольцо»?

6) Какая связь называется ароматической?

7) Перечислите основные способы получения аренов.

8) Перечислите химические свойства ароматических углеводородов.

II. Генетическая связь между классами углеводородов

Обобщаем изученный материал по теме «Углеводороды». С этой целью предлагаем ребятам перечислить изученные классы УВ: алканы, алкены, алкины, алкадиены, циклоалканы, арены. Вспоминаем все известные названия данных классов соединений, например, алканы - это предельные или насыщенные УВ, парафины и т.д. Итого 6 классов органических соединений. Перечисляем основные признаки каждого класса УВ: алканы содержат максимально возможное число атомов водорода и все связи между атомами являются одинарными; алкены содержат двойную связь, алкины - тройную, алкодиены - 2 двойные связи, циклические УВ содержат замкнутую цепочку из атомов С, в случае циклоалканов все связи между ними являются одинарными; арены содержат бензольное кольцо, в котором реализуется ароматическая связь.

Выписываем общие формулы гомологических рядов изученных углеводородов на доске и предлагаем ребятам определить класс УВ, имеющих приведенные формулы:

Общие формулы гомологических рядов углеводородов:

1. С_nH_2n+2 ; 2. С_nH_2n ; 3. С_nH_2n-2 ; 4. С_nH_2n-6 .

1) алканы;

2) алкены, циклоалканы;

3) алкины, алкадиены;

4) арены.

- Как отличаются по составу УВ различных классов? При ответе следует использовать общие формулы гомологических рядов. (УВ различных гомологических рядов отличаются друг от друга содержанием водорода. Больше всего водорода содержат алканы, меньше всего арены.)

Подведем ребят к мысли о том, что превращать УВ разных классов друг в друга, можно отнимая или присоединяя атомы водорода, т.е. с помощью реакций гидрирования и дегидрирования. Схематически это можно изобразить следующим образом:

С_nH_2n+2 - С_nH_2n - С_nH_2n-2 - С_nH_2n-6

Сообщаем ребятам, что данный способ (гидрирования и дегидрирования) широко используется для получения УВ, однако он не является единственным и имеет множество исключений, т.е. не является универсальным.

Таким образом, все классы УВ связаны между собой взаимными переходами или находятся в генетическом родстве. Предложим ребятам вспомнить, где еще они встречались с подобными переходами. Учащиеся должны сообщить, что основные классы неорганических соединений также связаны между собой взаимными переходами и находятся в генетическом родстве между собой. Составляем расширенную схему взаимных переходов между различными гомологическими рядами УВ:

циклоалканы<

^ v

алканы -алкены- алкины- арены

?_________________________?

Для закрепления изученного материала предлагаем выполнить следующие тесты:

1. Какова структурная формула органического соединения состава С_n H_2n+2 , где n=2:

а) С₂Н₆;

б) С₂Н₄;

в) Н:С:С:Н;

г) Н-СН₂-СН₂-Н.

2. Назовите соединение СН₃-СН₂-СН₃ по рациональной номенклатуре:

а) диметиметан;

б) пропан;

в) пропен-1;

г) пропиленметилметан.

3. Выберите правильное название остатка алкена:

СН₂=СН - СН₂ -

а) пропил;

б) изобутил;

в) пропенил-1;

г) пропенил-2.

4. Этилен не используют:

а) для получения этилового спирта;

б) для получения пластмасс;

в) в качестве горючего;

г) для получения 1,2-дихлорэтана.

5. Вставьте пропущенное соединение Х в уравнение реакции

SrC₂+ Н₂О > НС ? СН + Х

а) водород;

б) кислород;

в) вода;

г) гидроксид стронция.

6. Выберите правильное название остатка алкина

НС ? С - СН₂ -

а) пропинил-2;

б) пропинил-1;

в) изопропил;

г) пропенил-2.

7. Какой углеводород является межклассовым изомером для диенового углеводорода, молекулярная формула которого

Н₂С = СН - СН = СН₂

а) бутан;

б) изобутан;

в) бутен-1;

г) бутин-2.

8. Продуктом гидратации этилена является:

а) этин;

б) этиловый спирт;

в) этан;

г) политэтилен.

9. Как непредельный углеводород бензол нельзя определить с помощью:

а) реакции с раствором перманганата калия;

б) реакции с бромной водой;

в) реакции гидрирования;

г) реакции с хлорной водой.

10. Сколько литров кислорода потребуется для полного сгорания 7,8 г бензола:

а) 16,5 л;

б) 16,6 л;

в) 16,8 л;

г) 16,9 л.

Д/З: На основании молекулярных формул, определить, к каким гомологическим рядам относятся приведенные ниже УВ. В некоторых случаях возможно несколько вариантов ответа.

а) С₄Н₁₀; б) С₈Н₁₀ ; в) С₄Н₁₆ ; г) С₄Н₆ ; д) С₇Н₁₄

Ответы: а) алканы; б) арены; в) алкены или циклоалканы; г) алкины или алкадиены; д) алкены или циклоалканы.

3.3 Урок - игра на тему: «Влияние углеводородов на окружающую среду и организм человека»

Цели: систематизировать знания учащихся о вредном влиянии загрязнения биосферы на организм человека; показать необходимость экологических знаний для жизни каждого человека; научить применять полученные знания в конкретной ситуации; совершенствовать навыки постановки и проведения опытов; учить работать с дополнительной научной литературой с целью формирования общеучебных навыков и самообразования учащихся.

Учитель. В своей книге «Поймайте мне колобуса» Дж. Даррелл писал: «Наш мир так же сложен и так же уязвим, как паутина. Коснешься одной паутинки, и дрогнут все остальные. А мы не просто касаемся паутины -- мы оставляем в ней зияющие дыры, ведем, можно сказать, биологическую войну против окружающей среды. Без нужды сводим леса, создаем очаги пыльных бурь и ветровой эрозии, изменяя тем самым климат. Засоряем реки промышленными отходами, загрязняем моря и океаны, атмосферу; с нашей близорукостью, нашей алчностью мы в ближайшие полвека, а то и раньше станем виновниками того, что на Земле будет просто невыносимо жить».

Звучит магнитофонная запись отрывка из книги Р. Карсон «Безмолвная весна».

«В округе стала распространяться какая-то загадочная болезнь, чье чумное дыхание начало преображать все вокруг. Над городом словно тяготело какое-то проклятие: загадочные болезни уносили кур, коровы и овцы чахли и гибли. На все легла тень смерти... Царила необычная тишина. Куда исчезли птицы? Деревья на улицах пожелтели и завяли... В водосточных желобках, в канавах и между черепицами крыш можно было найти местами крупицы какого-то белого порошка, он, словно снег, запорошил несколько недель назад крыши и траву, поля и реки».

Учитель. Такой «сказкой из будущего», по словам автора, американской писательницы-биолога Рейчел Карсон, начинается вышедшая в 19б2 г. и ставшая знаменитой книга «Безмолвная весна». Своей книгой Карсон привлекла внимание общественности к воздействию на окружающую среду современной большой химии. Эту главу, мрачную фантазию, Карсон закончила словами: «Такого города в действительности не существует». Но не прошло и 15 лет, как он появился. Это случилось 10 июля 1976 г. В одном из городов Италии произошел взрыв на химическом заводе, о котором большинство работающих знали только то, что здесь делают сырье для производства дезодорантов. Из котла вырвалось облако дыма, вскоре покрывшего окрестности предприятия, словно белой вуалью. Это был один из самых страшных ядов, какие только известны химикам. Его научное название - 2,3.⁷.8-тетрахлордибензодиоксин (ТХДД). Это вещество в 67 раз ядовитее цианистого калия и в 500 раз -- стрихнина. Вы можете представить, к каким последствиям привела эта авария. Список таких катастроф можно было бы продолжить. Но наша задача -- выяснить, какое влияние на организм человека и окружающую среду оказывают уже изученные вами представители кислородсодержащих органических соединений. Многие из них являются тератогенами, т. е. веществами, воздействие которых на зародыш приводит к аномалиям в его развитии. О влиянии спиртов на организм человека вы узнали на уроках анатомии, общей биологии.

Для того чтобы вспомнить, какое влияние на белки оказывают спирты, учащиеся проводят лабораторный опыт «Действие этанола на белок».

Вариант 1. Кусочек сырого мяса помещают в пробирку со спиртом. Через 1 -2 мин цвет мяса меняется из-за свертывания белка.

Вариант 2. Кусочек сырого мяса (Юг) растирают с небольшим количеством воды до кашицеобразного состояния и отфильтровывают. К 1-1,5 мл полученного прозрачного раствора добавляют несколько кристалликов поваренной соли и 5 мл спирта. Выпадает осадок.

Вариант 3. В опыте можно использовать и раствор куриного белка.

Учитель. Наркотические свойства и токсичность одноатомных спиртов резко возрастают от низших гомологов к высшим. Так, молекулярная масса амилового спирта в 2 раза больше, чем этилового, а токсичность амилового спирта в 20 раз превышает токсичность этанола. Исключение составляет метанол, о влиянии которого расскажут учащиеся первой экспертной группы.

Во время выступления групп учащиеся делают краткие записи по плану (написан на доске):

1. Название вещества.

2. ПДК (предельно допустимая концентрация).

3. Влияние вещества на организм человека и окружающую среду.

Выступление учащихся первой экспертной группы. Метанол широко применяют в производстве пластмасс, искусственной кожи, стекла, фотопленки, при синтезе ряда лекарств, а также как органический растворитель. Смертельная доза метанола колеблется в пределах 30-100 мл (концентрация в крови - 300-800 мг/л). Тяжелые отравления могут быть вызваны приемом даже 7-10 мл. Метиловый спирт, принятый внутрь, быстро распространяется по всем тканям и органам в связи с высокой водо- и липидорастворимостью. Он окисляется в печени, но медленнее, чем этанол. Метанол превращается сначала в муравьиный альдегид, а затем -- в муравьиную кислоту, особенно токсичное вещество. Муравьиная кислота вызывает ацидоз (закисление), который приводит к патологическим сдвигам. При тяжелом отравлении опьяняющее действие метанола выражено слабо, но отмечаются сильная головная боль, тошнота, недомогание, затем наступает глубокий сон, а спустя 12-36 ч резко нарастает мышечная слабость, появляются боли в пояснице, животе, расширяются зрачки, двоится в глазах, начинается ухудшение зрения, переходящее в слепоту, затем быстро нарастает сердечно-сосудистая недостаточность, нарушается дыхание и наступает смерть.

Учитель. Этанол, содержащийся в алкогольных напитках, можно назвать социальным токсином. Он стал причиной серьезной проблемы -- алкоголизма. При употреблении спиртных напитков содержащийся в них этанол легко проходит через биологические мембраны. Одновременно он повреждает их структуру, увеличивая проницаемость для многих токсичных веществ. В организме человека существует физиологический барьер, регулирующий обмен веществ между кровью, спинномозговой жидкостью и мозгом; он защищает центральную нервную систему от проникновения чужеродных веществ, поступивших в кровь, или продуктов нарушенного обмена веществ. Для этанола этот барьер не является преградой. Но самые тяжелые последствия систематического употребления алкоголя связаны с его токсичным действием на генетический аппарат человека и развивающийся плод.

В гомологическом ряду одноатомных спиртов с увеличением числа атомов углерода в молекуле возрастает гемолитическое действие веществ (гемолиз - разрушение эритроцитов в крови с выделением гемоглобина во внешнюю среду), следовательно, спирты относят к гемолитическим ядам.

Демонстрация опыта «Действие этанола на кровь».

В две пробирки напивают по 5 мл разведенной крови, в одну из них добавляют 5 мл физиологического раствора, в другую -- 5 мл спирта. Взбалтывают содержимое пробирок. В пробирке с физиологическим раствором содержимое остается мутным, так как эритроциты не разрушаются, а в пробирке со спиртом раствор становится прозрачным. Это означает, что красные тельца под действием алкоголя разрушаются.

Учитель. Это вещество было выделено из каменноугольной смолы в 1834 г. в смеси с гомологами. Его способность растворяться в щелочах дала повод считать его кислотой, и оно получило название «карболовая кислота». Это был первый антисептик, введенный в хирургию Листером в 1867 г. Итак, вы поняли, что сейчас речь пойдет о феноле.

Выступление учащихся второй экспертной группы. Фенол - один из самых опасных и достаточно распространенных загрязнителей природной среды. Например, в Каспийском море содержание фенола превышает допустимую норму в 9 раз, в Балтийском - в 4 раза, в Кольском заливе, где продолжается деградация экосистем, - в 6 раз. Фенол используется для производства красителей, фенолоформальдегидных пластмасс, взрывчатых веществ, лекарств и т. д. В связи с этим в сточных водах многих химических предприятий содержится фенол, который действует на все живое.

Демонстрация опыта «Действие фенола на белок».

В пробирку наливают 3-4 мл белка, затем добавляют раствор фенола. Выпадает осадок.

Выпадение осадка свидетельствует о том, что природные белки теряют присущие им специфические свойства, становятся нерастворимыми, денатурируют. Значит, загрязнение фенолами приводит к отрицательным последствиям для живых организмов. Появление в водной среде фенола концентрацией 5 мг/л искажает реакцию карповых рыб (например, горчака) на собственный феромон тревоги. При концентрации фенола 20-30 мг/л рыба теряет чувствительность к феромону. Таким образом, фенол способен нарушать экологическое равновесие в экосистемах, разрывая химические контакты между организмами.

Демонстрация рисунка «Нарушение фенолом хемокоммуникации у горчака».

ПДК фенола в воздухе составляет 0,01 мг/м³, а в воде -- 0,001мг/м³. Фенол обладает общетоксичным, раздражающим эффектом; на кожу действует прижигающе, вызывает дерматиты. Попадание на кожу кристаллов1ме-нее опасно, чем растворов. Поражение 0,25-0,5% поверхности тела смертельно для человека. Даже 1%-ный раствор карболовой кислоты вызывает некрозы кожи, омертвляет нервные окончания. Растворенный в воде фенол, как и кристаллический, легко проник организм человека через кожу, а пары, адсорбированные кожей и одеждой, с вдыхаемым воздухом постепенно поступают в легкие.

Фенол используется для получения различных лекарственных препаратов, например, аспирина (ацетилсалициловой кислоты)

Демонстрация опыта с таблетками аспирина.

Раствор хлорида железа (III) добавляют в три пробирки с растворами фенола и аспирина (свежее лекарство и таблетки с истекшим сроком годности). В пробирке с раствором пригодного к применению аспирина изменений нет. В пробирках с растворами фенола и испорченного аспирина появляется темно-фиолетовое окрашивание.

Вот почему надо обязательно обращать внимание на сроки хранения лекарств, препараты с истекшим сроком годности применять нельзя.

Для извлечения фенола из сточных вод используют органические растворители (например, бутилацетат), затем связывают фенол раствором едкого натра. Жидкостная экстракция фенола из сточных вод представляет собой многоступенчатый процесс. На каждой ступени сточные воды смешиваются с растворителями с последующим разделением несмешивающихся жидких фаз. В результате достигается почти 100%-ное извлечение фенола. Другой метод -- каталитическое сжигание газов, содержащих фенол. В этом случае сточные воды переводят в газообразное состояние. Процесс ведут в циклонных печах при высокой температуре. Обезвреживание фенола проводят также при помощи озонирования и микробиологического окисления на биофильтре. В этом случае идут процессы полного окисления (до образования углекислого газа и воды).

Демонстрация рисунка озерного камыша.

Обыкновенный озерный камыш за 3 ч способен извлечь из воды более 35 г фенола на каждые 300 г надземной массы, т. е. более 10% собственного первоначального веса.

Учитель. В печати все чаще появляются сообщения о загрязнении воздуха в промышленных и жилых зданиях, и не только о загрязнении, но и о той огромной опасности, которая зачастую угрожает в связи с этим здоровью людей. Американский журнал «Нэшнл уайлд-лайф», издаваемый Национальной федерацией по охране дикой природы, поместил на своих страницах статью, целиком посвященную этой теме. В ней говорится о том, что на первом месте среди загрязнителей воздуха в домах оказался формальдегид. О нем расскажет третья экспертная группа.

Выступление учащихся третьей экспертной группы. Альдегиды относят к одним из наиболее реакционно-способных органических соединений. Именно этим объясняется их токсичное действие на организм человека. Альдегиды раздражают слизистую оболочку глаз и верхних дыхательных путей, вызывают пневмонию и отек легких, воздействуют на нервную систему. С увеличением числа атомов углерода в молекуле раздражающее действие альдегидов на кожу ослабевает. Ненасыщенные альдегиды (акролеин) обладают более сильным раздражающим действием. Ацетальдегид вызывает конъюнктивит, обладает сильным раздражающим эффектом, на кожу действует прижигающе.

Формальдегид -- бесцветный газ. ПДК формальдегида в воздухе -- 0,012 мг/м³, в воде - 0,01 мг/л. Он вызывает раздражение в носу, глазах, верхних дыхательных путях, а также головные боли и тошноту, поражает центральную нервную систему, особенно зрительные бугры, резко снижает остроту зрения. Длительное воздействие этого альдегида может вызвать бронхиальную астму и тяжелые кожные заболевания. Его источниками могут стать мебель, фанера, пенопласты, ДСП, некоторые типы клеев для мебели. Например, сырьем для древесностружечных плит служат отходы деревообработки: стружка, в небольшом количестве опилки, мелкие куски древесины, щепа. Высушенное древесное сырье смешивают с фенолоформальдегидной смолой и из смеси формуют плиты. По последним данным Агентства охраны окружающей среды (США), возможно, имеется прямая связь между раковыми заболеваниями носа, горла и проживанием в квартирах, пол и мебель в которых, как правило, изготовлены из прессованных синтетических плит.

В большом количестве формальдегид используется для получения различных видов пластмасс, в том числе меламино-формальдегидных, из которых изготовляется посуда. Попадают эти изделия к нам в основном из Турции. Нарядные меламиновые тарелки радуют глаз. Но есть из подобной посуды нельзя. Вместе с супом в желудок попадает и формальдегид. Если это происходит регулярно, то, по мнению ученых, есть опасность, что будущие дети могут родиться с уродствами. Вышло специальное постановление Госсанэпиднадзора, запрещающее торговлю изделиями из меламино-формальдегидных пластмасс. Но это до сих пор ходовой товар.

Учитель. В последние десятилетия большое развитие получило производство различных моющих средств. CMC во многих случаях превосходят обычные жировые мыла по моющей способности, пригодны для использования в жесткой и морской воде. Об их влиянии на окружающую среду и организм человека расскажет четвертая экспертная группа.

Выступление четвертой экспертной группы. CMC считают наиболее распространенными химическими загрязнителями водоемов. Основной источник поступления CMC в водоем -- крупные механизированные прачечные, в стоках которых содержание этих соединений составляет 100-200 мг/л (при ПДК 5-10 мл/г). Другие источники CMC -- предприятия легкой промышленности: текстильные, меховые, кожевенные, в которых CMC применяют для мойки хлопковой пряжи, шерсти, при отбеливании, крашении.

В состав CMC в качестве активной основы входят поверхностно-активные вещества и различные добавки: щелочные и нейтральные электролиты, перекисные соединения. Попадая в водоем, CMC ухудшают органолептические свойства воды, снижают способность водоемов к самоочищению, нарушают процессы кислородного обмена, усиливая неблагоприятное действие других веществ, токсически действуют на фауну, затрудняют процессы биологического окисления органических веществ, вызывают бурное размножение планктона, «цветение» воды. Если CMC находятся в водоеме совместно с нефтепродуктами или маслами растительного или животного происхождения, то их воздействие усиливается. Они способны эмульгировать даже тяжелые масла, дробить их на микроскопические частички, капельки, которые находятся в водной среде во взвешенном состоянии, что намного увеличивает их контакт с обитателями водоемов, обволакивая поверхности их тел, действуя на органы дыхания.

Демонстрация результатов опыта «Влияние CMC на водную экосистему».

В аквариум с растениями добавляют 5 мл раствора стирального порошка или шампуня. Через 1-2 дня сравнивают опытные растения с контрольными, используя микроскоп. С помощью индикатора определяют характер среды в аквариумах.

Для обезвреживания загрязненных CMC сточных вод эффективна биохимическая очистка (использование аэробных микроорганизмов) в биологических прудах, а также интенсивная аэрация с последующим удалением образующейся пены. При производстве CMC вместо полифосфатов могут быть использованы цитраты -- соли лимонной кислоты. Цитрат натрия в сочетании сульфатом натрия эффектно снижает жесткость воды и не загрязняет окружающую среду (цитраты в природе быстро подвергаются разложению), их можно использовать в меньших количествах, они создают при стирке менее щелочную среду. Основной фактор, сдерживающий использование цитратов, -- их высокая себестоимость.

Для замачивания и стирки тканей применяют различные CMC. При правильном использовании они не представляют опасности, но нарушение инструкций по применению может вызвать нежелательные для организма последствия. Так, превышение доз CMC для стирки иногда вызывает аллергические реакции кожи. Насыпая порошок, не следует наклоняться над тазом, рекомендуется закрывать нос и рот платком во избежание попадания пыли в дыхательные пути. Частицы стирального порошка, остающиеся на коже, могут вызвать зуд, сухость, а иногда и воспаление кожи. Появление ощущения заложенности и зуда в носу, чиханье, обильные слизистые выделения из носа, першение в горле, сухой кашель, резь в глазах, слезотечение -- это все признаки аллергической реакции, вызванной CMC. В таких случаях надо исключить данный порошок из употребления, заменив его другим или мылом. Не рекомендуется использовать для ручной стирки препараты, предназначенные для машинной стирки. Необходимо хранить CMC в плотно закрытой упаковке, не допуская его пыления. Перед стиркой необходимо смазать слизистые оболочки носа растительным маслом, после стирки прополоскать рот и очистить нос от остатков масла, тщательно вымыть руки и нанести смягчающий крем [21].

3.4 Урок-семинар по теме: «Природные источники углеводородов»

Урок рассчитан на 2 часа. Данный урок целесообразно проводить после изучения темы “Углеводороды”.

Цели урока:

Рассмотреть основные природные источники углеводородов, отрасли их использования: в качестве топлива и основы химического синтеза. На этом материале повторить, закрепить и обобщить полученные ранее знания о свойствах и применении важнейших углеводородов. Обучать самостоятельному поиску необходимой информации, умению делать выводы, развивать монологическую речь учащихся.

Предварительное задание:

Приблизительно за две недели до урока следует дать домашнее задание подготовить сообщения на следующие темы:

Природный газ.

Попутный газ.

Нефть.

Способы переработки нефти.

Каменный уголь.

Сообщение может быть выполнено как одним учеником, так и парой (по желанию).

План сообщений (кроме способов переработки нефти) следующий:

Состав.

Физические свойства.

Основные способы переработки.

Основные продукты переработки.

Области применения.

Материал по каждой теме должен быть оформлен в схемы, основа которой представлена на рис. 1. Схемы, составленные учащимися, проверяются заранее, вместе обсуждаются допущенные ошибки.

Пример схемы по попутному газу приведен на рис. 2.

Начинается урок с вступительного слова учителя. Мы подробно изучили состав, строение и свойства различных углеводородов. Сегодня на уроке мы познакомимся, где изученные нами вещества встречаются в природе и как они используются. Затем выступают учащиеся, приготовившие сообщения. Схемы демонстрируются либо с помощью кодоскопа либо проектора. Остальные ученики переписывают схемы в тетрадь.

После каждого выступления проводится краткое обсуждение по следующим вопросам:

Природный и попутный газы:

Какие химические свойства будут проявлять эти вещества? (Природный газ - в основном метан, значит свойства метана, попутный газ смесь более сложного состава- свойства тоже более разнообразны)

В чем преимущества природных газов как топлива? (высокая теплотворная способность (при сжигании 1 м³ природного газа выделяется до 54 400 кДж); дешевизна; экологическая чистота; легкая транспортировка по газопроводам).

Нефть:

Целесообразно ли использовать нефть в качестве топлива? Почему? (Нефть является смесью большого количества веществ, не только углеводородов, которые могут служить сырьем для производства большого количества важных продуктов).

Почему нефть в основном содержит алканы, циклоалканы и арены, но практически не содержит алкенов и алкинов? Привести уравнения реакций. (Алкены и алкины являются более химически активными, чем алканы и циклоалканы).

Какие продукты можно получить из нефти? (Различные виды топлив, сырье для органического синтеза)

В чем отличия бензинов, полученных термическим и каталитическим крекингом нефти? (Бензин, полученный термическим крекингом содержит много алкенов, углеводородов с неразветвленной цепью, поэтому малоустойчив, окисляется при хранении; бензин, полученный каталитическим крекингом содержит много углеводородов с разветвленной цепью, поэтому устойчив, не окисляется при хранении)

Каменный уголь:

Почему для коксохимического производства необходима высокая температура и отсутствие кислорода? (В присутствии кислорода будут протекать процессы горения и окисления)

Какие неорганические продукты получаются при коксовании угля? (аммиак, угарный газ, водород)

В конце урока учитель кратко подводит итоги и выставляет отметки, ученикам делавшим сообщения и участвовавшим в обсуждении [22].

3.5 Решение расчетных задач по теме «Углеводороды»

1) Рассчитайте массу тетрохлорида углерода, который можно получить при хлорировании метана объемом 11,2 л молекулярным хлором, объем которого в реакционной системе равен 56 л. Объемы газов приведены к нормальным условиям. Выход продукта составляет 70% от теоретически возможного.

Решение.

СН₄ + 4Сl₂ >CCl₄ + 4HCl

Определяем количества исходных веществ:

n (СН₄)= V(СН₄)/V_m ; n (СН₄)=11,2/22,4=0,5 моль;

n (Сl₂)=V(Сl₂)/ V_m ; n (Сl₂)=56/22,4=2,5 моль;

n (СН₄): n (Сl₂)= 0,5:2,5=1:5.

следовательно, хлор взят в избытке.

Из уравнения реакции следует:

n (ССl₄)= n (СН₄); n (ССl₄)=0,5 моль.

m (ССl₄)= n (ССl₄)* M (ССl₄); m (ССl₄)=77 г.

Учитывая, что выход продукта составляет 70% от теоретически возможного, находим массу полученного ССl₄:

m_р (ССl₄)= m (ССl₄)*з/ 100; m_р (ССl₄)=53,9 г.

2) Смесь метана и этилена объемом 400 мл (н.у.) обесцветила бромную воду массовой долей брома 3,2% массой т40 г. Определите объемную долю этилена в смеси.

Решение.

С₂Н₄ + Вr₂ > С₂Н₄Вr₂

m (Вr₂)= m*щ (Вr₂) ; m (Вr₂)=1,28 г;

n (Вr₂)= m (Вr₂)/M (Вr₂); n (Вr₂)=0,008 моль.

Из уравнения реакции следует:

n (С₂Н₄)= n (Вr₂); n (С₂Н₄)=0,008 моль.

V (С₂Н₄) = n (С₂Н₄)* V_m ; V (С₂Н₄) =179,2 мл.

Определяем объемную долю этилена в смеси:

ц (С₂Н₄) = V (С₂Н₄) /V (смеси); ц (С₂Н₄) =0,448 или 44,8%.

3) При сжигании гомолога бензола массой 0,92 г в кислороде получили оксид углерода, который пропустили через избыток раствора гидроксида кальция. При этом образовался осадок массой 7 г. Определите формулу углеводорода и назовите его [23].

Решение.

Са(ОН)₂ + СО₂= СаСО₃ + Н₂О

n (СаСО₃)=m (СаСО₃)/ M (СаСО₃); n (СаСО₃)=0,07 моль.

n (СО₂)= n (СаСО₃); n (СО₂)=0,07 моль.

n (С)= n (СО₂); n (С)= 0,07 моль.

m (C)= n (C)*M (C) ; m (C)=0,84 г.

n (Н)=m (Н)/ M (Н); n (Н)=0,08 моль.

n (C)/ n (H)= 0,875.

Отсюда получаем: х=7, т.е. формула С₇Н₈.

3.6 Тесты с экологическим содержанием

1. Вещества, которые, поступая в окружающую среду, не сразу включается или вообще не включаются в естественную циркуляцию, называются:

a) пестицидами

b) загрязнителями

c) минеральными удобрениями

d) бытовыми отходами

2. ТЕРАТОГЕНЫ - это

a) вещества, воздействие которых на организм приводит к аномалиям его развития

b) процессы, приводящие к образованию антропогенных форм рельефа

c) процессы, воздействующие на развитие теориофауны данной области

3. В процессе индивидуального развития организма наиболее губительным фактором для материальных основ наследственности является

a) резкое температурное воздействие

b) избыток солнечного излучения

c) нарушение режима питания

d) систематическое употребление алкоголя

4. Процесс нарушения структуры одного из важнейших органических соединений клетки, происходящий под влиянием физических и химических факторов, - это

a) полимеризация глюкозы

b) удвоение ДНК

c) денатурация белка

d) окисление жира

5. Изучением взаимосвязи живого мира с физическими, химическими, биологическими факторами окружающей среды занимается

a) палеонтология

b) генетика