Альтернативная водородная энергетика как элемент школьного раздела химии: "Физико-химические свойства водорода"

Системы, относящиеся к первому виду, малоперспективны, несмотря на их экологическую чистоту. В начале века, по имеющимся оценкам, они смогут удовлетворить мировые потребности лишь на 5 - 10% [14, 29].

2.5 Сообщение 5. Выполняется учениками, на основе материалов, предоставленных учителем

Влияние водородной энергетики на окружающую среду

При рассмотрении основных принципов водородной энергетики и ее влияния на окружающую среду, нельзя ограничиваться лишь загрязнением воздуха, так как это не единственный тип загрязнения. При сравнении различных энергетических источников следует обсудить и другие аспекты. Под этим можно подразумевать эффективность источников энергии, поэтому важно сопоставить водородную энергетику с другими энергетическими системами, такими как уголь - синтетическое топливо, атомная энергия - водород, атомная энергия - электричество и др.С точки зрения охраны окружающей среды варианты водородной энергетики оцениваются выше старых энергетических систем, использующих ископаемые топлива. Заслуживает внимания тот факт, что, хотя энергетическая система солнечная система - водород самая безопасная по отношению к окружающей среде, все же система солнечная энергия - электричество будет эффективнее, так как в ней используется меньшее количество материалов. Предполагается что система солнечная система - водород будет работать в сочетании с фотогальваническими элементами, в которых расходуется большое количество кремния. Поэтому, если система море-солнце или с ветровой энергией, то влияние на окружающую среду будет меньше, и энергетическая система солнечная система - водород будет более приемлемой, чем система солнечная система - электричество [13].

2.6 Сообщение 6. Выполняется учениками

Дополнительные сведения о применении водорода в бытовых целях

Вся энергия, предназначенная для бытовых целей, может быть получена из водорода (освещение, отопление и приготовление пищи). Однако это не самый оптимальный путь применения водорода.

Освещение, отопление и приготовление пищи. Для освещения не обязательно применять электричество, можно воспользоваться «холодным светом», получаемым при взаимодействии водорода с фосфором. Для приготовления пищи, отопления помещений может быть использован специальный керамический материал. Однако отопление помещений лучше осуществлять с помощью электрических насосов.

Электричество в доме. По-видимому, при внедрении водородной энергетики уменьшится потребление электроэнергии в жилых домах. Снизятся затраты на работу различных электронных устройств. Однако для снабжения водородом зданий необходимо полностью переоборудовать трубопроводы, горелки и большую часть другого оборудования [12].

Переработка сточных вод. Обычно сточные воды должны пройти по трубопроводам несколько, прежде чем попадут на специализированные станции по их переработке. Имеются ряд способов переработки мусора и сточных вод с применением метана, который затем может быть использован при вторичном производстве энергии. При подаче по трубопроводу кислорода сточные воды могут быть подвергнуты аэробной обработке: при температуре около 100 °С и взаимодействии с чистым кислородом, образуется СО2 [1].

2.7 Сообщение 7. Выполняется учителем при заключении темы

Пymu развития водородной энергетики

Следует сразу установить, что преимущества водородной энергетики могут быть достигнуты только путем постадийного внедрения этой энергетики (исследование, проектирование, создание опытной установки, небольшая проверка, более крупная проверка и, наконец, полный переход на водородную энергетику). На первой стадии в качестве источника для получения водорода можно использовать уголь, который при нагревании с водой образует смесь СО и Н2; СО затем будет окислом до СО2 и выброшен в атмосферу, а Н2 доставят по трубопроводу па ближайшую установку. Здесь он может быть использован для получения электричества.

Во второй стадии в качестве источника энергии для получения водорода может быть использована ядерная установка; образующийся водород затем будет доставляться в город и применяться для получения электроэнергии или для работы части транспорта.

На третьей стадии может быть использован маленький город (например, с населением 10 000), где будет построена станция для сбора солнечной энергии. Если это гористая местность, можно установить экспериментальные крупные аэрогенераторы.

Важной является четвертая стадия освоения, на осуществление которой необходимы суммы, исчисляемые миллиардами. На этой стадии следует перевести часть энергетики на водород, например, жилищно-коммунальное хозяйство, транспорт, промышленность [8].

Экологическая "чистота" водорода не вызывает сомнений, если учесть, что практически единственным, продуктом его сгорания является вода и что в этом случае полностью отсутствуют характерные для углеводородных топлив загрязняющие атмосферу соединения типа диоксидов углерода и серы, а также паров углеводородов. Кроме того, водород - это и достаточно калорийное топливо. По теплотам сгорания (34 ккал/г) он намного превосходит такие классические виды топлива, как углеводороды (10 ккал/г) и древесина (4 ккал/г). Конечно, нельзя не учитывать и большие трудности, связанные с решением и ряда дополнительных задач, таких, как:

а) поиск и разработка первичных источников энергии, которые могут быть использованы для синтеза водорода;

б) безопасность хранения, транспорта и больших количеств газообразного и жидкого водорода;

в) эффективное преобразование энергии водорода при решении ряда
конкретных энергетических задач.

Если говорить о поисках и разработках первичных источников, кото-
рые могут быть использованы для синтеза водорода, то, вероятно, следует
начать с простейшего способа, известного каждому, кто хотя бы немного
знаком с химией, - взаимодействия кислот и оснований с металлами:
Zn + (2HCl)aq > (ZnC12)aq + H2 ^

Аl + (2NaOH)aq > (NaAIО2)aq + 3/2H2^

В плане дальнейшего изложения очень важно подчеркнуть, что перспективными для создания водородной энергетики могут считаться только способы, основанные на использовании воды в качестве исходного сырья. Поэтому в дальнейшем при написании тех или иных уравнений химических реакций индекс "aq", характеризующий водную среду, будет опускаться. Процесс необратим и для получения металла из образовавшихся оксидов (для повторного их применения) требует значительных затрат энергии.

Заслуживают внимания три варианта получения водорода из органического сырья. Один из них - паровая конверсия металла, являющегося главным компонентом природного газа:

СН4 + Н2О > СО + 3Н2 - 50 ккал

СО + Н2О > СО + Н2 + 10 ккал

______________________________

СН4 + 2Н2О > СО2 + 4Н2 - 40 ккал

Второй более совершенный вариант основывается на парокислородной конверсии:

2СН4 + О2 > 2СО + 4Н2 + 16 ккал

СН4 + Н2О > СО + 3Н2 - 50 ккал

______________________________

7СН4 + 3О2 + Н2О > 7СО + 15Н2

Последующий процесс, связанный с конверсией СО, протекает, как и в первом варианте. Однако, как следует из уравнений в обоих вариантах, требуется затрата больших количеств дефицитного природного газа как исходного сырья.

Третий вариант основан па использовании процесса газификации угля:

2Ств + О2 > 2СО + 55 ккал

СТВ + Н2О пар > СО + Н2 - 30 ккал

Комбинацией этих двух реакций можно получить смесь СО и Н2, на-зываемую "водяным газом". В последнее время метод получения водорода из воды и угля считается одним из наиболее перспективных. Весьма перспективным, по мнению специалистов, является вариант использования водяного пара для восстановления окислов железа при 800-900°С:

2FезО4 + СО + Н2 > 6FеО + Н2О + СО2 - 22 ккал

с последующей обработкой Fe() водяным паром при 600-700°С. После конденсации паров воды можно получить чистый водород:

3FeO + Н2О>Feз О4 + Н2 + 16ккал

Экономичность процесса здесь возрастает вследствие того, что последняя реакция экзотермична и позволяет некоторое количество выделяющегося тепла использовать для нагрева водяного газа до температур, при которых в соответствии с данной реакцией имеет место восстановление окислов железа. Несмотря на определенные трудности, железопаровой вариант получения водорода привлекает в настоящее время внимание большого числа исследователей во всех странах мира, поскольку связан с возможностью использования дешевых низкосортных углей в качестве восстановителя водяного газа. Казалось бы, самым простым и чистым способом получения водорода должен быть электролизный способ, непосредственно расщепляющий молекулу воды па водород и кислород. Однако этот процесс сам требует много электрической энергии и экономически пока остается невыгодным.

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ (НА ПРИМЕРЕ ВОДОРОДА)

В современном мире порой возникают ситуации, которые представляют реальную опасность для человечества. Чаще всего люди сами способствуют их возникновению либо по недомыслию, либо из - за недостатка информации. В одиночку с такими ситуациями не справится, однако правильный выбор действий в критической обстановке обеспечивается наличием определённых знании и умением их использовать. Поэтому, на мой взгляд, важно обсудить вопросы экологии и безопасности человека на уроках. Однако школьная программа и учебники не располагают достаточным объёмом информации. Учитель сам должен через поурочные планирования и внеклассные мероприятия восполнить эти недостатки. Он может применить следующие формы работы на уроках: собеседование, семинар, урок - практикум, ролевая игра, в любом случае учащиеся могут проявить активность, самостоятельность, применить знания, а также углубить их. Подобный подход позволяет учащимся лучше освоить новую тему и формирует у них целостное восприятие окружающего мира.

Уроки разработаны для учащихся 8 классов.

3.1 Водород

Урок 1.

Тема урока: Водород в природе.

Водород как химический элемент. Получение водорода.

Цель: 1. Познакомить учащихся с элементом водородом и его номенклатурой.

Получение водорода разными способами.

Рассмотреть водород с экологической точки зрения

Тип урока: Комбинированный.

Вид: Изучение нового материала.

Методы: Словесные, практические.

Оборудование: учебник, рисунки в учебнике, оформление доски, таблицы, "периодическая таблица Менделеева"

План урока.

Водород в природе. - 30 мин.

Водород с экологической точки зрения.

Водород как химический элемент.

1. 4. Получение водорода разными способами.

2.1 Закрепление. - 5 - 7 мин.

3.1 Домашнее задание. - 3 мин.

Ход урока:

I. Организационный момент.