Охорона навколишнього середовища від забруднення в процесі переробки вуглеводневої сировини й використання продуктів її переробки. Поняття про спектральні методи визначення структури органічних сполук
І СЕМЕСТР
Тема 3. ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДНІВ ТА ЇХ ПЕРЕРОБКА
Урок 26
Тема уроку. Охорона навколишнього середовища від забруднення в процесі переробки вуглеводневої сировини й використання продуктів її переробки.
Поняття про спектральні методи визначення структури органічних сполук
Цілі уроку: розглянути екологічні проблеми переробки вуглеводневої сировини й використання продуктів її переробки, а також можливі шляхи розв’язання питань охорони навколишнього середовища в процесі переробки й використання вуглеводневої
Тип уроку: комбінований урок засвоєння знань, умінь і навичок і творчого застосування їх на практиці.
Форми роботи: міні-конференція.
Обладнання: презентації учнів з теми міні-конференції.
ХІД УРОКУ
I. Організація класу
II. Актуалізація опорних знань.
Мотивація навчальної діяльності
1. Фронтальна бесіда за питаннями
– Назвіть головні джерела вуглеводневої сировини.
– Згадайте головні способи переробки нафти.
– Перелічіть головні продукти
– Назвіть галузі використання вугілля і продуктів його переробки.
– Сировиною для яких галузей промисловості є природний газ?
2. Розв’язування задач
1) Порівняйте об’єм вуглекислого газу, що виділиться в результаті спалювання: 1 т вугілля і 1 т природного газу (0,90 метану, 0,05 етану, 0,03 пропану й 0,02 об’єми азоту). Яка кількість тепла при цьому виділиться?
2) Приблизний елементний склад вугіль одного з родовищ: Карбон – 64-73 %, Гідроген – 4,2-5,7 %, Оксиген + Нітроген – 26,7-27 %. Вугілля малосірчисті й малофосфористі. Питома теплота згоряння – 5900-6885 ккал/кг.
Крім вуглеводнів, до складу нафти входять речовини, що містять домішкові атоми: сульфуровмісні – H2S, меркаптани, моно – й дисульфіди, тіофени й тіофани, а також поліциклічні тощо (7090 % концентрується в залишкових продуктах – мазуті й гудроні); нітрогеновмісні – переважно гомологи піридину, хіноліну, індолу, карбазолу, піролу, а також порфірини (здебільшого концентруються у важких фракціях і залишках); оксигеновмісні – нафтенові кислоти, феноли, смолисто-асфальтенові та інші речовини (зазвичай зосереджені у фракціях з високою температурою кипіння). Разом у нафті виявлено понад 50 елементів.
Приблизний елементний склад нафти: 82-87 % – С; 11 – 14,5 % – Н; 0,01-6,0 % – S (зрідка – до 8 %); 0,001-1,8 % – N; 0,005-0,35 % – O (зрідка – до 1,2 %) та ін.
– Які речовини потрапляють в атмосферу внаслідок спалювання вугілля, нафтопродуктів і природного газу? Складіть їхні формули.
– Укажіть, який вплив вони чинять на навколишнє середовище й організм людини.
III. Вивчення нового матеріалу
ОХОРОНА НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА ВІД ЗАБРУДНЕНЬ ПІД ЧАС ПЕРЕРОБКИ ВУГЛЕВОДНЕВОЇ СИРОВИНИ
1. Вступне слово вчителя
Проблема зміни клімату планети є найбільш значущою з-поміж глобальних проблем біосфери, зумовлених антропогенним впливом: навіть незначні зміни клімату можуть істотно вплинути на господарську діяльність людини. Незначні, на перший погляд, антропогенні зміни клімату, що розвиваються на тлі його природної мінливості, можуть призвести до порушення стійкості клімату, перетворитися на катастрофічні.
На клімат можуть впливати фактори, що змінюють властивості атмосфери. Серед таких факторів слід відзначити зміну складу тропосфери (збільшення концентрації вуглекислого газу та інших газових домішок) і верхньої атмосфери (вплив на озоновий шар).
– Назвіть головні екологічні проблеми, зумовлені видобуванням і використанням вуглеводневої сировини.
– Запропонуйте способи захисту навколишнього середовища від продуктів переробки вуглеводневої сировини.
2. Повідомлення учнів з питань охорони навколишнього середовища в процесі переробки вуглеводневої сировини
Учням за кілька уроків до міні-конференції пропонується підготувати повідомлення (презентації, проекти та інші творчі роботи) з питань:
– Сучасні методи очищення газоподібних викидів в атмосферу.
– Головні методи очищення стічних вод нафтогазових виробництв і шахтних вод.
– Охорона грунту від забруднень нафтопродуктами, відходами вуглевидобувної промисловості.
– Безвідходна й маловідходна технології в нафтогазовій галузі.
– Утилізація і знешкодження відходів.
– Національні й міжнародні екологічні стандарти.
3. Поняття про спектральні методи визначення структури органічних сполук
Для дослідження будови органічних речовин широко застосовується вивчення їх інфрачервоних, видимих і ультрафіолетових спектрів поглинання. Молекулярні спектри можна поділити на три класи: обертальні спектри, пов’язані з обертанням ядер у молекулі; коливальні спектри, пов’язані з коливанням ядер, і електронні спектри, пов’язані з рухом електронів (електронні переходи).
З допомогою спектроскопічних досліджень можна визначити міжатомні відстані в молекулах, власні частоти коливань ядер тощо. Ці дані разом з дипольними моментами, а також з даними рентгенографічного й електронографічного аналізів дають можливість скласти надійне детальне уявлення про будову молекул. Спектроскопічними методами можна визначити також енергію дисоціації молекул. Використовуючи молекулярний спектральний аналіз, можна здійснювати ідентифікацію хімічних сполук та вимірювати їхні концентрації.
Оскільки окремим радикалам (наприклад, – OH, – NH2, – NO2, – CO, – C6H5 та ін.), а також окремим зв’язкам усередині молекули (наприклад, C = C, C 
C, C = O, C – H тощо) відповідають певні характеристичні частоти в інфрачервоних спектрах і спектрах комбінаційного розсіювання (мало змінюються від сполуки до сполуки), то за цими спектрами можна судити про наявність у молекулі тих чи інших радикалів або зв’язків.
Ефект комбінаційного розсіювання був одночасно відкритий 1928 р. радянськими фізиками Г. С. Ландсбергом і Л. О. Мандельштамом та індійським ученим Ч. В. Раманом.
Для складних органічних молекул практично неможливо розшифрувати розрахунковим шляхом спостережувані частоти й віднести їх до коливань тих чи інших зв’язків і угруповань у молекулі. Однак можливий інший шлях. Вивчають і порівнюють спектри ряду гомологів або аналогів і намагаються виявити характеристичні частоти для певних класів сполук.
Спектри комбінаційного розсіювання галоїдопохідних парафінових вуглеводнів
На діаграмі (див. рис.) зіставлено спектри комбінаційного розсіювання ряду галоїдопохідних парафінових вуглеводнів. Висота окремих штрихів, що зображують положення спостережуваних у спектрах ліній, відповідає відносній інтенсивності цих ліній.
З допомогою спектрів комбінаційного розсіювання можна розв’язувати такі складні задачі, як визначення конфігурації цис – і трансів-ізомерів, числа стійких конформацій, що фактично існують за певної температури, та ін.
Спектри комбінаційного розсіювання широко застосовуються не лише для теоретичних досліджень у галузі органічної хімії, але й з метою ідентифікації й аналізу органічних сполук. Групою радянських учених (Г. С. Ландсберг, Б. О. Казанський та ін.) був розроблений метод аналізу цим способом складу бензинових фракцій нафти.
Багато питань можна розв’язати також із допомогою інфрачервоних спектрів.
На рисунку видно, наскільки відрізняються інфрачервоні спектри речовин за порівняно незначної зміни їхньої будови. В інфрачервоних спектрах, як і в спектрах комбінаційного розсіювання, окремим радикалам і зв’язкам відповідають певні характеристичні частоти, що часто дозволяє підібрати найбільш правдоподібну будову для вперше отриманої сполуки. Багато характерних ліній окремих угруповань і зв’язків проявляються або лише в інфрачервоних спектрах, або в спектрах комбінаційного розсіювання. Отже, ці два методи взаємно доповнюють один одного.
Інфрачервоні спектри к-гексану і 2-метилпентану
Спектри поглинання у видимій і ультрафіолетовій ділянках також дозволяють розв’язувати завдання, згадані вище. Однак поглинанням у цій області спектра характеризуються не всі речовини, а переважно сполуки ароматичного складу та сполуки, що містять у молекулі велику кількість подвійних зв’язків.
IV. Підбиття підсумків уроку
Оцінювання роботи в групах та індивідуальної роботи кожного учня.
V. Домашнє завдання
Опрацювати матеріал параграфа, відповісти на запитання до нього, виконати вправи.
Підготуватися до контролю навчальних досягнень з теми.
