Роза Рыскалиева.

Прикладная химия



скачать книгу бесплатно

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние развития общества характеризуется проникновением химии во все сферы жизни. Современные люди в той или иной степени сталкиваются с новыми для них препаратами и материалами. Это вызвано научно-техническим прогрессом и повышает уровень жизни людей. Поэтому ориентироваться в том, как правильно применять химические препараты, необходимо каждому современному человеку. Ошибки в применении этих продуктов могут привести к отрицательным последствиям, что особенно заметно, когда речь идет о загрязнении окружающей среды и приготовлении пищи. Химизация необходима, но ее развитие должно базироваться на прочных химических знаниях. Необходимо показывать реальную связь химии с проблемами и потребностями общества. В связи с этим большую актуальность приобретает изучение прикладных проблем химии.

Курс «Прикладная химия», изучающий важнейшие направления химизации экономики и сферы быта, опирается на межпредметные связи с дисциплинами химического цикла, экологией. Этот обобщающий курс располагает большими возможностями для расширения профессионального кругозора, эрудиции, повышения общей образованности и культуры.

Прикладная химия – явление многоаспектное, поэтому определить предмет соответствующей дисциплины непросто. Вероятно, суть предмета можно сформулировать как практические результаты использования химических законов, закономерностей, принципов, экспериментальных методов, технологических приемов, а также химических продуктов в различных отраслях экономики и социально-бытовой сфере. Курс включает четыре основных раздела:

1. Химизация энергетики;

2. Химические основы создания и эксплуатации материалов;

3. Химические аспекты решения продовольственной проблемы;

4. Химизация сферы быта.

Химизация энергетики: уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добывать руду, выплавить из нее металлы, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все растут, и людей становится больше. Понятие «энергетика» включает в себя методы получения и использования различных видов энергии для нужд человеческого общества. Энергетика или топливно-энергетический комплекс – одна из основ развития современного общества; эффективность решения социальных, экономических и технических задач в значительной мере определяется выработкой энергии и масштабностью энергоресурсов. Энерговооруженность – показатель цивилизации страны, определяет мощь и уровень развития общества. Для устойчивого развития необходимы устойчивые энергоресурсы. Но те ресурсы, от которых зависит человек, к таковым не относятся. Кроме этого, энергетика оказывает существенное влияние на окружающую среду, являясь источником различных видов загрязнения воздуха, воды, земной поверхности и недр. Также запасы ископаемого топлива ограничены.

Многие страны уже испытывают «энергетический кризис». До 1991 г. (до распада) СССР являлась единственной страной в мире, полностью обеспечивающей свои потребности в топливе и энергии собственными ресурсами. В этом разделе рассматриваются современные проблемы энергетики, причины их возникновения, направления решения, классификация энергоресурсов, современная структура выработки энергии, тенденции в развитии энергетики, альтернативные традиционные источники энергии.

Химические основы создания и эксплуатации материалов: не меньшее значение в нашей жизни играют различные материалы. Сейчас, когда многое человечеством освоено и используется (например, чистые и сверхчистые металлы, различные сплавы с рассчитанными свойствами, проводники, сверхпроводники, магнитные материалы, строительные, оптические, полимерные, керамические материалы, различные покрытия, смазочные материалы и многое др.) встает вопрос создания материалов с заданными свойствами. Также очень важен экологический аспект использования различных материалов. Например, толчком для развития и производства полимеров послужил дефицит ряда природных материалов. По мере развития науки о полимерах выяснилось, что они открывают новые возможности для создания материалов с комплексом свойств, неизвестных ранее. Многие достижения в области космической техники, радиотехники, электроники и в других областях были бы немыслимы без гаммы новейших полимерных материалов, обладающих необходимыми физическими, химическими, механическими и электрическими свойствами. В настоящее время трудно найти отрасль сельского хозяйства, где бы ни применялись полимеры. Гигантские молекулы обеспечили новыми материалами не только промышленность, но и помогли обуть и одеть человечество. Изделия из искусственных синтетических волокон, меха, кожзаменители стали неотъемлемой частью гардероба любого современного человека. По гигиеническим свойствам предпочтительны натуральные ткани, сейчас и по этим показателям синтетические материалы приблизились к природным. Новые материалы зачастую оказываются лучше старых, надежнее, долговечнее. Например, стальная труба может выйти из строя через 3-5 лет, а в особо жестких условиях эксплуатации – 1,5-2 года, в то время как пластмассовые трубы служат 20-30 лет. Или из силиконового каучука в настоящее время изготавливают искусственные органы (например, клапаны для сердца, сосуды, фрагменты суставов), чего нельзя сделать из природного каучука. И таких примеров очень много. Все это огромное количество химической продукции с течением времени переходит в отходы. Отслужив свой срок, полимерные материалы, являясь синтетическими продуктами, ранее не существовавшие на Земле, разлагаются крайне медленно (50-60 лет). Они не подвергаются гниению, коррозии, а превращаются в долгоживущие отходы. Тоже касается металлических и неметаллических материалов. Серьезные экологические проблемы связаны с жилыми помещениями. Источниками вредных веществ служат мебель, линолеум, применение различных химикатов, процесс приготовления пищи и т.д. Например, современная мебель выделяет заметные количества токсичных веществ, что связано с применением древесно-стружечных плит на синтетических смолах, использование лаков, красок. Исследования показали присутствие в воздухе помещений формальдегида, ацетофенона, стирола, фунгицида и т.п.

Химические аспекты решения продовольственной проблемы: химия как косвенно, через сельское хозяйство, так и непосредственно оказывает влияние на решение продовольственной проблемы. Без химизации сельского хозяйства немыслимо развитие современного общества. Сохранение плодородных почв под земледельческими угодьями, пастбищами и лесами – основное условие устойчивого развития общества. Важным фактором антропогенного воздействия на почвенные экосистемы является применение минеральных удобрений. С ними в большей мере связывают успехи современного сельского хозяйства. При сборе урожая, человек изымает из почвы биогенные элементы, накопленные биомассой растений. На поля необходимо вносить эквивалентное количество биогенных элементов. Для этого в сельском хозяйстве используют удобрения. Как недостаток, так и избыток удобрений наносит вред окружающей среде и здоровью человека. Экологических проблем, связанных с использованием удобрений очень много, например, проблема нитратов.

В сельском хозяйстве также широко применяются пестициды – химические средства защиты растений от сорняков, грибковых заболеваний и т.п. Также пестициды используются в быту для уничтожения домашних насекомых или грызунов, или например, дезодоранты. Первоначально использование пестицидов было встречено с большим энтузиазмом: они обладали быстротой действия, высокой эффективностью против различных вредителей. Применение этих веществ позволило полностью предотвратить такие заболевания, как тиф и малярия, способствовало увеличению производства пищевых продуктов. Но через многие годы выяснилось, что эффективность пестицидов сопровождалась появлением многих отрицательных последствий и представляют угрозу для других живых существ, в том числе и для людей. В целом пестициды как загрязнители окружающей среды составляют менее 1 % из общего числа загрязнителей. С одной стороны это сильнодействующие биологически активные вещества, представляющие серьезную опасность для биосферы, а с другой – пестициды помогают сохранить 18-20 % урожая. Разговоры о том, что необходимо отказаться от пестицидов и перейти на «чистое» сельскохозяйственное производство (без химии) на сегодняшний день несостоятельны.

Пищевые добавки в продукты питания позволяют повысить их качество, питательность, физиологическую ценность и сохранность. Пищевые добавки – это природные соединения (витамины и минеральные соли) и химические вещества (различные красители, консерванты, стабилизаторы, эмульгаторы, усилители вкуса и аромата, пеногасители, глазирователи), которые в ограниченных количествах вводятся в продовольственные товары с целью придания им заданных свойств, увеличения стойкости к различным видам порчи, сохранения структуры, внешнего вида и т.д. Внедрение химических методов в пищевую технологию дает возможность полнее использовать сельскохозяйственное сырье, увеличить выход продукции и тем самым снизить ее себестоимость. Применение в хим. промышленности полимерных материалов (ионитов, силиконов, пластмасс, полимерных пленок и др.) способствует усовершенствованию оборудования и технологических процессов, повышению сохранности пищевых продуктов благодаря использованию новых видов упаковки.

Самые разнообразные хим. процессы составляют существо и содержание пищевой технологии (брожение, хим. разрыхление, выщелачивание сахара из свекловичной стружки, осветление сока, гидрогенизация жиров).

Химизация сфера быта: все сферы жизни и деятельности людей, их здоровье, питание, одежда, жилище и быт самым тесным образом связаны с химической продукцией. Это мыла и синтетические моющие средства, средства дезинфекции, чистящие средства, средства гигиены, лаки, краски, клеи. В настоящее время в распоряжении людей имеется не менее 1 млн. веществ, выпускаемых химической промышленностью. Но, пользуясь плодами бытовой химии, необходимо подумать не только о своих удобствах и собственной безопасности, но и окружающей среде. Статистика показывает, что на современном этапе объемы производства товаров бытовой химии удваиваются в течение 6-8 лет. Уже сейчас загрязнение окружающей среды препаратами бытовой химии в мире составляет примерно пятую часть всех выбросов в атмосферу. Химики и технологи должны создавать такие новые препараты, которые при высокой эффективности были бы безвредны для людей, животных и растений, а упаковка могла бы использоваться повторно, идти на переделку, либо разрушаться достаточно быстро в земле или в воздухе, не выделяя при этом токсичных продуктов. Нужно помнить, что любая пластмассовая упаковка или аэрозольный баллончик, выброшенный на улице, в лесу, загрязняют природу на долгие годы и десятилетия, вылитые в раковину препараты бытовой химии принесут невосполнимый вред. Помнить об этом, аккуратно и экономно пользоваться средствами бытовой химии, ничего не выбрасывать никуда, кроме мусорных баков, – это и означает внести свой вклад в дело защиты окружающей среды.

Большое значение имеют знания о химических аспектах пищи для организации рационального питания. Вся необходимая для человека энергия поступает в организм из пищи за счет содержащихся в ней белков, жиров и углеводов. Усвояемость пищевых веществ зависит от состава пищи, внешнего вида и запаха, способов ее кулинарной обработки (варить, жарить или парить), степени ее измельчения в полости рта и других факторов. Наличие в продуктах витаминов и минеральных солей также способствует повышению усвояемости пищи. Удовлетворение потребности организма человека в определенном количестве и соотношении пищевыми веществами – один из принципов рационального питания. Например, с одной стороны, тепловая обработка обеззараживает продукты и повышает их усвояемость, с другой – тепловая обработка отрицательно влияет на пищевую ценность продуктов (теряются ароматические и вкусовые вещества; снижается содержание витаминов; в отвар переходят и теряются с ним ценные растворимые вещества; снижается усвояемость белков; происходят нежелательные изменения жиров и т.д.). Очень важно знать значение белков, жиров, углеводов, витаминов и минеральных солей для живого организма, их состав, превращения в организме, источники их поступления в организм.

Химия теснейшим образом связана с медициной. Огромное количество разнообразных лекарственных средств (свыше 12 тыс.) представляют собой различные химические соединения. Химики вместе с медиками, микробиологами и фармацевтами смогли не только установить строение многих природных соединений, используемых в медицине, но и синтезировать некоторые из них. Кроме этого химики пошли по пути создания соединений, хотя и отличающихся от природных, но обладающих аналогичным, а иногда и более эффективным действием. Более того, были получены новые лекарственные средства, которые не знает природа, но способные излечивать многие болезни. Лекарства бывают разные. Сколько болезней, столько и лекарств. Часто бывает и так, что одно и то же заболевание лечат многими лекарствами. Обычно лекарственные средства классифицируют по их основному лечебному действию: противомикробные, обезболивающие, сердечные, антигистаминные, психофармакологические препараты и многие другие.

Таким образом, вклад химии в удовлетворение основных потребностей людей и повышение жизненного уровня весьма велик. Грамотно использовать достижения химической науки и научить этому других – одна из главных задача курса «Прикладная химия».

ХИМИЗАЦИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

«Никакой вид энергии не обходится так дорого, как ее недостаток» – это высказывание индийского ученого не звучало так актуально, как в наши дни, когда человечество, не считаясь с огромными финансовыми расходами, прилагает все усилия к поиску новых путей получения энергии. Проблемы, связанные с происхождением, экономичностью, техническим освоением и способами использования различных источников энергии, были и будут неотъемлемой частью жизни на нашей планете. Прямо или косвенно с ними сталкивается каждый житель Земли. Понимание принципов производства и потребления энергии составляет необходимую предпосылку для успешного решения приобретающих все большую остроту проблем современности и в еще большей степени – ближайшего будущего.

Не сходят со страниц газет и журналов статьи об энергетическом кризисе. Из-за нефти возникают войны, расцветают и беднеют государства, сменяются правительства. Разрабатываются гигантские энергетические программы, осуществление которых требует громадных усилий и огромных материальных затрат. Уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добывать руду, выплавить из нее металл, построить дом, сделать любую вещь, необходимо израсходовать энергию. А потребности человека все растут, и людей становится больше.

Понятие «энергетика» включает в себя методы получения и использования различных видов энергии для нужд человеческого общества. Энергетика или топливно-энергетический комплекс – одна из основ развития современного общества; эффективность решения социальных, экономических и технических задач в значительной мере определяется выработкой энергии и масштабностью энергоресурсов. Энерговооруженность – показатель цивилизации страны. В конце прошлого столетия потребление энергии в расчете на одного человека в год в разных странах было следующим: США – 3000 кВт/ч; Япония – 2700 кВт/ч; Германия – 1500 кВт/ч; СНГ – 400 кВт/ч.

Развитие энергетики может отразить прогресс всего человечества:

• 5000 лет до н.э. – 100 % мускульной энергии;

• 2000 лет до н.э. – 70 % мускульной энергии, 25 % животные, 5 % древесина;

• 1500 г. – 70 % древесины, 20 % тягловые животные, 10 % мускульная энергия;

• 1910 г. – по 16 % тягловые животные и древесина, 65 % уголь, 3 % нефть;

• 1935 г. – 13 % животные, 7 % древесина, 55 % уголь, 15 % нефть, по 5 % газ и вода;

• 1972 г. – 10 % древесина, 32 % уголь, 34 % нефть, 18 % газ, 6 % атомная энергия;

• 1990 г. – 1 % древесина, 20 % уголь, 33 % нефть, 30 % газ, 16 % атомная энергия.

Таким образом, развитие человечества не что иное, как постоянный труд по овладению энергией, которая во все времена определяла мощь и уровень развития общества. Для устойчивого развития необходимы устойчивые энергоресурсы. Но дело в том, что те ресурсы, от которых зависит человек, к таковым не относятся. Кроме этого, энергетика оказывает существенное влияние на окружающую среду, являясь источником различных видов загрязнения воздуха, воды, земной поверхности и недр, а также основным потребителем минерального топлива, определяющим уровень его добычи. Вопросы взаимодействия энергетики и природной среды настолько сложны, что возникла необходимость появления новой области науки – экоэнергетики.

Можно перечислить много видов энергии. Первоисточником большинства из них служит солнечная радиация. Солнце ежесекундно направляет на Землю энергию, равную 16,76?103 кДж, половина которой, проходя через атмосферу, достигает поверхности Земли. Часть поглощаемой атмосферой и гидросферой энергии затрачивается на круговорот воды в природе или превращается в энергию ветра, волн, океанических течений. Часть энергии, воспринимаемая верхним слоем литосферы, расходуется на накопление теплоты и поверхностной энергии пород, приводящей к их разрушению, иногда до мелкодисперсного состояния (песок, глина). Большая часть солнечной энергии расходуется на фотосинтез и создание живого вещества.

К энергии, непосредственно не связанной с солнечной радиацией, относят тепловую энергию земных недр; энергию океанических и морских приливов; тепловую энергию, получаемую при сжигании биологических (древесина) и геохимических (торф, уголь, газ, нефть) «аккумуляторов солнечной энергии», электроэнергию, атомную энергию и энергию некоторых химических процессов (например, энергия взрыва, используемую в горном производстве).

Все способы получения энергии по характеру используемых ресурсов делятся на две группы. К первой группе относятся способы, использующие невозобновляемые источники энергии (горючие ископаемые, ядерное топливо). Во вторую группу входят способы, основанные на применении возобновляемых энергоресурсов (солнечной радиации, энергии ветра, воды).

Большинство промышленно развитых стран до 90 % своего энергопроизводства обеспечивают за счет гидроресурсов, полезных ископаемых и ядерного топлива. Следовательно, энергетика опирается на невозобновляемые ресурсы, то есть рано или поздно появится угроза истощения запасов. Поэтому возникает вопрос о поисках новых, более эффективных путей обеспечения человечества энергией, не связанных с исчерпаемыми ресурсами. Экоэнергетика – это наука о последствиях воздействия современных способов получения, хранения, передачи и использования энергии на окружающую среду, а также о возможных путях развития энергетики в направлении экологически чистых, эффективных способов получения, хранения, передачи и использования энергии.

ТОПЛИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Основными потребителями энергоресурсов являются промышленность, энергетика и транспорт. Энерговооруженность общества растет в основном за счет роста производства электроэнергии. Главный недостаток электроэнергии в том, что, несмотря на чистоту ее конечного потребления, использование первичных энергоресурсов для ее выработки неблагоприятно сказывается на окружающей среде. Известно много способов ее получения, но основной остается реакция горения. Наибольшее количество электроэнергии (около 70 %) вырабатывается при сжигании угля, нефти и природного газа, которые называют ископаемым топливом. Хотя эти ископаемые и образовались в результате биологических процессов (за счет растительных и животных остатков, в результате дегазации глубоких недр Земли), всякое пополнение их запасов по мере использования исключено по двум причинам:

• условия на Земле изменились так, что значительного накопления органического вещества уже не происходит;

• человечество потребляет горючие ископаемые со скоростью, намного превышающей необходимую для их образования.

Таким образом, запасы ископаемого топлива ограничены. Многие страны уже испытывают «энергетический кризис».

Состав топлива можно представить следующей обобщенной формулой:

C + H + O + N + S + W + Z = 100%

где соответствующими символами обозначены углерод, водород, кислород, азот и сера; W – содержание влаги; Z – содержание золы. Количественное соотношение элементов в топливе различно и зависит не только от типа, но и от места его залегания. Но в любом случае основная доля (в среднем до 80 %) приходится на углерод. Поэтому именно этот компонент определяет теплотворную способность топлива: С + О2 ? СО2 + 393,5 кДж/моль. Основным продуктом горения топлива является углекислый газ СО2, огромные количества которого выбрасываются в атмосферу заводами, теплоэлектростанциями (ТЭС), транспортом. Последствием этого является «парниковый эффект».

Реакция сгорания топлива требует значительных затрат кислорода. При недостатке кислорода О2 не достигается основная задача – получение тепла, так как становится возможным эндотермический процесс: С + СО2 ? 2СО – 410 кДж/моль или процесс с выделением намного меньшего количества теплоты, чем в случае образования углекислого газа СО2:



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4