Петролни интереси: експерименти с климатичните промени Teach article

Превод Емилия Мурзова. Dudley Shallcross, Tim Harrison, Steve Henshaw и Linda Sellouп ни предтавят химични и физични експерименти с алтернативни източници на енергия като неизкопаемите…

С любезното съдействие на
sbayram / iStockphoto;
Снимка на Земята,
предоставена от NASA

Дискусиите върху климатичните промени в клас могат да бъдат доста широкообхватни, но по всяка вероятност ще включват различните енергийни източници и последиците от използването им. Сродни теми са различните горива, които могат да бъдат използвани, каква е калоричността им и как се произвеждат, както и техните алтернативи. Предлагаме ви няколко лабораторни демонстрации към физичните и химичните уроци за климатичните промени.

1) Измерване на калоричността на горивото

Неизгорялото гориво, изпаряващо се във въздуха по време на съхранение или по време на горене е замърсител, а в същото време играе ролята на детерминиращ живота на парниковите газове фактор. Единият начин за намаляване на щетите е да се използва алкохоли вместо стандартните въглеводородни горива като бензин и дизел.

В атмосферата въглеводородите се окисляват от хидроксиловия радикал (●OH) и образуват предимно алкохоли и карбонилни производни. Концентрацията на ●OH в атмосферата е много важна, тъй като тези радикали премахват парниковите газове, съдържащи C-H връзка като CH4 например. Компютърни симулации показват, че изхвърлянето на алкохоли в атмосферата има по-слаб негативен ефект отколкото изхвърлянето на въглеводороди заради по-малкия брой свързани ●OH. Затова използването на алкохоли като горива вместо въглеводороди има положителен ефект върху качеството на въздуха и премахването на парниковите газове. Освен това късоверижните алкохоли, освободени в атмосферата, могат да бъдат редуцирани като се използва сух (чрез непосредственото им събиране на повърхността) или мокър способ (под формата на дъжд, мъгла или аерозоли), докато съответстващите им въглеводороди не могат да бъдат премахнати.

Алкохолите могат да бъдат използвани в горивните клетки (виж ‘Fuel cells: energy from electrolysis’) които притежават голям потенциал за приложение например при малогабаритните превозни средства.

Разбира се добрите горива трябва не само да запазват околната среда – те трябва да бъдат ефикасен източник на енергия. Следниат експеримент позволява на учениците да определят отделената при изгаряне на равлични видове горива енергия и да сравнят ефектинтостта им с тази на повечето стандартни горива.

Алкохолните лампи представляват малки горелки с фитил, които обикновено са част от детските комплекти по химия, както и от инвентара на учебните лаборатории. Те могат да се използват за определяне на отделенате енергия при изгаряне на късите първични алкохоли като метанол, етанол, 1-пропанол, 1-бутанол и 1-пентанол.

Спиртната лампа се поставя под голяма мензура, в която
се слага определено количество вода

С любезното съдействие на Bristol ChemLabS

Учениците могат да започнат експеримента (виж снимките по-горе) като напълнят лампата с познат алкохол. Първо лампата се претегля заедно със съдържанието в нея. 150 ml вода се премерват и се наливат в колба от 250 ml. Приема се, че 1.0 ml тежи 1.0 g. Температурата на водата се измерва в началото на опита, след което колбата се захваща на статив на 5 cm над спиртната лампа. Учениците запалват лампата и я поставят точно под колбата докато температурата на водата се повиши с 30 до 40 °C. Повишението на температурата се определя като се отчете температурата, достигната в края на опита. След това се претегля лампата заедно с нейното съдържание. На този етап учениците няма да си спомнят дали са претеглили лампата с или без капачката! Изчислява се изгореният алкохол (MB).

Отделената при изгарянето енергия, използвана за повишаване на температурата на водата, може да се изчисли по следното уравнение:

ΔHC = -c x Mвода x TR                                                                              (1)

където:

<

ΔHC = топлина на изгаряне [kJ]
c = специфицен топлинен капацитет на водата = 4.187 kJ kg-1 °C-1
Mвода = маса на водата [kg]
TR = разликата в температурата на водата [°C]

Енергията на изгаряне се изразява в енергия на грам или енергия за мол изгорен алкохол, което позволява на учениците да сравнят получените от тях резултати.

Енергия на изгаряне на грам = ΔHC / MB                                                  (2)

Енергия на изгаряне за мол = ΔHC x Mr / MB                                           (3)

където:

Mr е относителната молекулна маса на изгорения алкохол,
MB е масата на изгорения алкохол.

По-нататъчните изследвания на учениците могат да следват последователността:

  • Сменя се алкохолът в лампата. На практика по-добре е да се осигурят няколко различни лампи за различните алкохоли, тъй като е трудно да се замени алкохола от мокрия фитил
  • Алтернатива на сравняването на няколко различни алохоли е съпоставката между един алкохол и восъчна свещ с метална подложка
  • Замяна на колбата със съд, направен от друг материал, например медно канче или канче от галванизирана стомана
  • Замяна на съда с водата с такъв с различна дебелина
  • Сравняване на изолиран съд (от огнеупорен материал) със стъклена колба
  • Сравняване на отворена колба с колба със запушалка, през която е прекаран термометъра.
  • Наблюдава ли се разлика ако водата в колбата се разбърква?
  • Височината, на която се намира колбата над пламъка на лампата влияе ли на поетата от водата топлина?
  • Има ли разлика при поставянето на защитни прегради около лампата за намаляване на влияещите върху пламъка течения?
  • Дължината на фитила извън лампата оказва ли влияние?

Вземете под внимание, че е опасно използването на бензин или дизелово гориво в спиртните лампи. Дори без тестването на конвенционалните горива или на различните алкохоли, тези експерименти биха могли да бъдат използвани за дискутиране на експерименталната грешка и точността на измерването като цяло. Сравняването на получените резултати с тези в учебниците или в Уикипедияw1 (виж таблицата) показва съществуването на съществени грешки.

Наименование на алкохола / горивото Standard heat of combustion [MJ / kg]
Таблица 1: Топлина на изгаряне на някои първични алкохоли (Наръчник по химия и физика, 57мо издание, CRC Press) и на някои от най-разпространените горива (Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_of_combustion, от 17/03/09)
Торф (влажен) 6.0
Торф (сух) 15.0
Дърва 15.0
Въглища (лигнитни) 15.0
Метанол 22.7
Въглища (антрацитни) 27.0
Етанол 29.7
Въглерод 32.8
Пропан-1-ол 33.6
Бутан-1-ол 36.2
Пентан-1-ол 37.7
Дизел 44.8
Парафин 46.0
Керосин 46.2
Бензин 47.3
Бутан 49.5
Пропан 50.4
Етан 51.9
Природен газ (осреднена, варира според страната на добив) 54.0
Метан 55.5
Водород 141.8

2) Произвеждане на биогорива от зеленчукови отпадъци

Биогоривата са твърди, течни или газообразни горива, извличани от сравнително отскоро мъртва биомаса за разлика от изкопаемите горива, които се извличат от отдавна мъртъв биологичен материал.

Докато изгарянето на изкопаеми горива освобождава в атмосферата CO2, уловен преди много време, то изгарянето на биогоривата освобождава CO2, уловен от атмосферата с фотосинтезата и превърнат в гориво доста по-наскоро. Затова на теория процесът трябва да бъде въглерод-неутрален. Но производството на биогорива също генерира CO2; а емисиите, отделени по време на цикъла на производство на някои от биогоривата от първо поколение дори надвишават тези, отделени при традиционните горива.

Досега са разработени три поколения биогорива: първо поколение биогорива, съдържащи захар, нишесте, растително масло или животински мазнини. Освен твърде високите нива на емисии, биогоривата от първо поколение имат и друго ограничение: над определен праг производството им застрашава нормалното снабдяване с храна и биологичното разнообразие. Освен тове те са по-скъпи от съществуващите изкопаеми горива.

Image courtesy of alohaspirit / iStockphoto

Това довежда до създаването на биогорива от второ поколение, които могат сигурно да задоволят по-голяма част от настоящите ни нужди от горива при по-големи екологични ползи. За производството им се използват различни култури, които не служат за храна, както и отпадъчна биомаса, стъблата на пшеницата, царевицата и дървесина.

Но биогоривата, произвеждани от отглеждани растения изискват използването на земеделски площи, които биха могли да бъдат използвани за отглеждането на растения за храна. Горивата от водорасли се появяват като трето поколение биогорива с цел да преодолеят този проблем. Производството им се извършва при ниски разходи с голям добив, тъй като водораслите произвеждат 30 пъти повече енергия за единица площ в сравнение със соята например.

На теория биогоривата могат да се произвеждат от всеки въглерод-съдържащ биологичен източник, въпреки че повечето от тях са фотосинтезиращи растения или материали с растителен произхад. Предимството на много биогорива е, че те са биоразградими и следователно сравнително безвредни за околната среда в случаи на разлив.

Съществуват различни начини за производство на биогорива от растителни масла, но основната реакция е една и съща. Биогоривото се произвежда при алкална хидролиза на триглицериди в растително масло (виж фигурата) и последваща естерификация на триглицеридите до метил естер. На практика двете стъпки протичат по едно и също време в смес от метанол и основи, както се извършва при промишленото прозводство. Тази смес съдържа метоксиден йон. По време на хидролизата от триглицериците се освобождава мастна киселина. С метоксидния йон тя образува метил естер.

Транс-естерификация на триглицериди от растителни мазнини
С любезното съдействие на Bristol ChemLabS

Гицерол (1,2,3-пропантриол) е отпадъчният продукт при последната реакция. Изхвърлянето му или последващата му употреба е едно от предизвикателствата пред промишленото производство.

За експеримета, описан по-долу трябва да използвате лабораторен огнеупорен стъклен съд.

12-13 ml растително олио по избор се наливат в огнеупорния съд заедно с 2 ml калиев хидроксид, 5% теглови разтвор в метанол. Течностите се смесват без разклащане за да се предотврати насищане с въздух и разпенване. Сместа се оставя на водна баня при 60ºC. Скоростта на реакцията може да се измери чрез последващо измерване на вискозитета: за колко време топче (с големина на сачма, симетрично с гладка повърхност) да падне до определена дълбочина ва сместа като измерването се извършва на всеки 5 минути за 2 часа.

Голямата молекула на триглицерида се разпада на по-малки единици (виж фигурата по-горе), които има по-малка маса от веществата, от които произхождат. Тъй като вискозитета на течността е право-пропорционален на молекулната маса, реакцията ще доведе до формирането на смес с все по-нисък вискозитет. При тези условия можете да оставите проба за цял ден и да наблюдавате протичането на хидролизата.

Въпреки, че биогоривото, произведено по този метод, все още съдържа глицерол като отпадъчен продукт от реакцията, е възможно да се наблюдава промяната във вискозитета на сместа. Ако използвате обратен хладник за реакцията, биогоривото може да бъде отделено чрез екстрактция с разтворител.

Биогоривото, получено по който и да било от двата метода може да бъде използвано за задвижване на малък дизелов двигател.

Забележка: ако използвате вече употребявано растително олио, не забравяйте първо да го прецедите от остатъците от храна в него!

3) Горивни клетки: енергия от електролиза

И двата предходни експеримента се основават на отделената при изгаряне енергия. Това е единият начин на окисляване на горивото за освобождаване на енергия и далеч не е единственият. Горивото може да се окисли и под действие на електролиза, демонстрирано в следния експеримент.

Горивните клетки произвеждат електричество посредством реакция между алкохола или водородния йон на анода и окисляващ агент като кислорода или хлора на катода. Горивото и окисляващия агент реагират в присъствието на електролит. Реактантите навлизат в клетките, а продуктите от реакцията ги напускат, докато електролитът остава в тях. Горивната клетка работи чрез катализа, като разделя електроните и протоните в реактантрото гориво и изпраща електроните по електрическа верига, превръщайки ги в електричен ток.

Горивната клетка се различава от химическата батерия по това, че може да се пренапълва (представлявайки по този начин отворена термодинамична система), докато симикалите в батерията не могат да се заменят, тъй като тя е запечатана (термодинамично затворена). Горивната клетка клетка работи до тогава, докато реактантите в нея се подменят.

Типичната горивна клетка произвежда от 0.6 V до 0.7 V при пълен капацитет. Горивните клетки могат да се свързват във вериги паралелно или последователно; последователното свързване дава по-високо напрежение, а успоредното – по-силен ток. Допълнително контактната повърхност на клетките може да се увеличи за постигане на по-силен ток от всяка клетка.

Горивните клетки са полезни за отдалечени обекти като космически кораби, метеорологични станции, големи паркове и селски райони. В бъдеще е възможно да захранват и автомобили.

Генериране на
електричество с
използването на джин в
малка горивна клетка

С любезното съдействие на
Bristol ChemLabS

Има няколко вида демонстрационни горивни клетки, които е възможно да се закупятw2 (на цена €20 за брой) с цел да се покаже принципа им на учениците. Използваната от нас горивна клетка е алкохолно-въздушна (виж снимката вляво), състояща се от две части: пластмасова чашка с проводник, свързан с изход (анодът) и вътрешна част, съдържаща катализатор. Определено количество от източник на алкохол (например антифриз) или алкохол (например 1-пропанол) се смесва с 55 ml основа (например натриев хидроксид) като електролит и се налива в пластмасовата чашка. След това в чашката се потапя и катализатова. Въздухът може свободно да преминава през катализатора и да достига до алкохолната смес.

Химиеската реакция, в резултат на която се генерира електрически ток, е окислението на алкохола от въздуха до карбонилни производни или до карбоксилова киселина в зависимост от степента на окисление. Реакцията се катализира от платинизиран графит на дънота на пластмасовата чашка.

На катода: 4e + O2 + 2H2O → 4OH

На анода: CH3CH2OH + 2OH → CH3CHO + 2H2O + 2e

Алдехидът CH3CHO може се окисли до карбоксилова киселина и така продължава да произвежда електричен ток. Като алтернативен вариант на тази горивна клетка, която произвежда ток с по-високо напрежение се използва натриев тетрахидроборат (III) (натриев борохидрид, NaBH4). Според производителя минимални количества (около 20 mg NaBH4) са необходими за да се зареди клетка, която да работи един час. Важно е да се знае, че NaBH4 е токсичен, вреден и причинява раздразнения.

Напрежението, произвеждано от горивните клетки може да бъде измерено посредством обикновен мултицет.

По-долу са представени няколко опита, които учениците могат да проведат, използвайки горивните клетки:

  • Използват се различни видове водо-разтворими алкохоли: такива с верига между метанола и 1-пентанола, техни вторични или тетраедрични изомери (ако съществуват) и различни източници на алкохоли като метилови алкохоли, препарат за стъкла, антифриз и дори алкохолни напитки като водка и джин. Задачата е да се установи кой алкохол произвежда ток с най-високо напрежение.
  • Учениците могат да изследват какво е влиянието на промяната на концентрацията на алкалните елементи върху изходящото напрежение. Освен това могат да изследват кой алкален елемент (например натрий или калий) произвежда ток с по-високо напрежение.
  • Опитите с промяна на концентрацията на алкалните елементи или алкохола докато горивната клетка работи също представляват интерес.
  • Цялата установка може да се постави на водна или ледена баня за да се промени температурата, при която се провежда реакцията. Чрез измерване на изходящия ток може да се изследва как промяната на температуата влияе върху хода на реакцията.

Предложения за други експерименти можат да бъдат намерени в няколко книги онлайнw3.

С благодарност на

Авторите изказват благодарността си на Will Davey от Университета на Шефийлд за насоките за експеримента с производство на биогориво.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – За топлината, отделена при изгарянето на различни горива и органични съединения в Wikipedia, виж: http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_of_combustion#Heat_of_combustion_tables
  • w2 – Един от многото доставчици, специализиран в областта на горивните клетки в индустриално и образователно отношение е h-tec: www.h-tec.com
  • w3 – h-tec са публикували и книга за използването на горивните клетки в клас:
    • Voigt C, Hoeller S, Kueter U (2005) Fuel Cell Technology for Classroom Instruction (Basic Principles, Experiments, Work Sheets). Luebeck, Germany: h-tec
    • Сборник от безопасни, евтини, опразователни и занимателни проекти с фокус върху технологията на горивните клетки:
    • Harper G (2008) 101 Fuel Cell Projects for the Evil Genius. New York, USA: McGraw-Hill Professional
    • За допълнителни експерименти с горивни клетки виж: www.ectechnic.co.uk/exps.html

Resources

  • Harrison T, Shallcross D, Henshaw S (2006) Detecting CO2 – the hunt for greenhouse-gas emissions. Chemistry Review 15: 27-30
  • Pacala S, Socolow R (2004) Stabilisation wedges: solving the climate problem for the next 50 years with current technologies. Science 305: 968-972. doi: 10.1126/science.1100103
  • Shallcross D, Harrison T (2008) Climate change modelling in the classroom. Science in School 9: 28-33. www.scienceinschool.org/2008/issue9/climate
  • Shallcross D, Harrison T (2008) Practical demonstrations to augment climate change lessons. Science in School 10: 46-50. www.scienceinschool.org/2008/issue10/climate
  • За пълен списък на статиите на ScienceinSchool за промените в климата вижте: www.scienceinschool.org/climatechange

Author(s)

Dudley Shallcross е професор по химия на атмосферата, Tim Harrison е гимназиален помощник-преподавател, а Linda Sellou и Steve Henshaw са докторанти в School of Chemistry, University of Bristol, UK. Помощник-преподавателят е позиция, създадена с цел преодоляване различията между гимназиалното и университетското образование и посредством използването на ресурсите на учелището по химия, да популяризира обучението по химия. За повече информация по отношение на изграждането на мадели на климатичните промени или за помощник-преподавателската позиция, можете да се свържете с Dudley Shallcross (d.e.shallcross@bristol.ac.uk) или Tim Harrison (t.g.harrison@bristol.ac.uk).




License

CC-BY-NC-SA