Лекция 8. Современная химия: экономический и социальный эффект.

Лекция 8. Современная химия: экономический и социальный эффект.

Цель: способствовать формированию представлений о роли химии для развития современного промышленного и сельскохозяйственного производства, ее взаимосвязи с проблемами охраны окружающей среды.

Вопросы для рассмотрения:

1. Масштабы современного химического производства.

2. Химия и охрана окружающей среды.

3. Задачи, решаемые химией в интересах устойчивого развития цивилизации

4. Основные концепции современной химии.

5. Перспективные химические процессы и материалы.

6. Роль химии в решении продовольственной проблемы.

7. Значение химических знаний в повседневной жизни.

Введение.

На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш пре­док научился изготавливать и использовать простейшие ору­дия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказавшись перед про­блемой обеспечения пищей, освоил охоту, затем земледелие и скотоводство. Освоение все более сложных орудий и пред­метов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источников энергии к более совер­шенным. Энергетическая проблема последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, и, наконец, энергии атома.

Необходимость повышения производительности труда и эф­фективности производства, роста темпов добычи и перера­ботки громадного объема минеральных ресурсов, наряду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем вызвали к жизни использование химической технологии, все­общую химизацию, а затем компьютеризацию общественно­го производства и быта.

 

2. Современное химическое производство иначе,

Химия живого

Создание лекарственных препаратов и медицинских материалов, изучение биохимических процессов в организме человека и определение норм химического воздействия на него.

Химия питания

Разработка средств повышения урожайности (удобрения, пестициды и т.п.) и продуктивности (корма) в сельском хозяйстве.

Разработка пищевых технологий (консерванты, пищевые добавки, методы переработки пищевого сырья и т.п.) и искусственной пищи, подготовка питьевой воды.

Химическое материаловедение

Создание новых конструкционных и функциональных материалов: керамики, полупроводников, стекла, сплавов, минеральных удобрений, пластмасс и смол, резины, лаков, клея, поверхностно-активных веществ, фильтрующих материалов, пигментов, огнезащитных покрытий и материалов, смазок, материалов для транспорта, электроники, металлургии, строительства, легкой и др. отраслей промышленности.

Химическая диагностика и анализ

Разработка принципов, методов и систем химического анализа природных и технологических объектов, экологический мониторинг.

Химическая технология

Переработка природного и техногенного сырья, оптимизация условий производства, создание малоотходных и энергосберегающих технологий, разработка методов рационального использования природных и техногенных ресурсов.

Задача заключается в том, чтобы через новые технологии гармонизировать отношения «об­щество — природа» таким образом, чтобы компенсаторных возможностей окружающей среды было достаточно для нейт­рализации антропогенных воздействий на нее.

Новые технологии по своим параметрам должны прибли­жаться к природным процессам, отличаться от промышлен­ных своей безотходностью или малоотходностью. В настоя­щее время наметились следующие пути решения сложных эко­логических проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем получения известных продук­тов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопотребления; очистка выбрасываемых газов; использование промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных и энергетических потоков.

Химическая экология

Изучение химических процессов в биосфере, оценка химических загрязнений окружающей среды и их влияние на экологическое равновесие, разработка методов обезвреживания и утилизации вредных отходов, экспертиза социальных проектов.

Угроза экологической катас­трофы требует решительного пересмотра отношений современной «химической» цивилизации и природы в сторону оптимизации этих отношений.

Химическая энергетика

Разработка технологий преобразования химической энергии, производство энергоемких веществ, материалов для энергетики, освоение новых энергетических ресурсов.

Химия сырьевой проблемы

Усовершенствование методов добычи и переработки сырья, повышение степени извлечения полезных компонентов, замена дефицитных видов сырья более дешевым и доступным.

Из сказанного вытекает, что место и роль химии в совре­менной цивилизации должны рассматриваться системно, т.е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологичес­ки безопасности. При этом неизбежно рассмотрение химии как активного элемента сложной системы «общество-природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую си­стему со своей структурой и взаимообменом между веществом, энергией и информацией.

1. Основные концепции современной химии.

Механизмы действия

Окисление органических соединений кислородом воздуха представляет собой цепной процесс. Цепные реакции превращений осуществляются с участием активных свободных радикалов. Для цепных разветвленных реакций окисления характерно увеличение скорости в ходе превращения (автокатализ). Это связано с образованием свободных радикалов при распаде промежуточных продуктов окислительного процесса.

Механизм действия наиболее распространённых антиоксидантов (ароматические амины, фенолы, нафтолы и др.) состоит в обрыве реакционных цепей: молекулы антиоксиданта взаимодействуют с активными радикалами с образованием малоактивных радикалов. Окисление замедляется также в присутствии веществ, разрушающих промежуточные продукты реакций. В этом случае падает скорость образования свободных радикалов. Даже в небольшом количестве (0,01-0,001%) антиоксиданты уменьшают скорость окисления, поэтому в течение некоторого периода времени (период торможения, индукции) продукты окисления не обнаруживаются. В практике торможения окислительных процессов большое значение имеет явление синергизма – взаимного усиления эффективности антиоксидантов в смеси, либо в присутствии других веществ.

Защита с помощью антиоксидантов особенно важна для продуктов, молекулы которых содержат наиболее чувствительные к окислению ненасыщенные связи (например, жиры). Эффективность действия антиоксидантов достаточно велика. Так, введение в некоторые масла и жиры всего 0,001-0,01% антиоксидантов может надолго приостановить их окисление. Содержание антиоксидантов в ненасыщенных высокомолярных соединениях составляет обычно 0,5-3%; при этом период индукции окисления, характеризующий медленное развитие процесса, возрастает во много десятков раз.

Действие антиоксидантов основано на их способности обрывать разветвленное цепное окисление. При этом возможны два механизма: при первом молекула антиоксиданта, содержащая подвижный атом водорода, реагирует с активной частицей окисляющегося соединения – радикалом, ведущим окислительную цепь, с образованием малоактивного радикала. В другом, молекула антиоксиданта взаимодействует с промежуточным продуктом окисления, распад которого ведет к разветвлению цепи, с образованием стабильного соединения. По первому механизму действуют производные вторичных ароматических аминов и фенолов (последние, как правило, менее эффективны), по второму – органические производные фосфитов и сульфидов. Совместное применение антиоксидантов, действующих по различным механизмам, иногда приводит к синергичному эффекту.

Концепция лазерной химии.

Одним из разделов современной химии является лазерная химия. Она начала развиваться в 60-ые годы ХХ века после открытия лазеров – устройств, преобразующих различные виды энергии (электрическую, световую, химическую, тепловую и др.) в энергию когерентного электромагнитного излучения (это колебания, описываемые гармоническими функциями, например, синусоидальной). Само название «ЛАЗЕР» («LASER») является аббревиатурой слов английской фразы: Light Amplification Stimulated Emission of Radiation (усиление света в результате вынужденного излучения).

Принцип работы лазера состоит, во-первых, в переводе квантовой системы – источника лазерного излучения – в возбужденное состояние (в результате интенсивного поглощения энергии атомом вещества) путем воздействия на него источника энергии (накачка лазера), и, во-вторых, испускания этой возбужденной квантовой системой электромагнитного излучения.

В зависимости от типа лазера в качестве источника генерируемого излучения используются различные вещества: твердые (стекла, рубины, гранаты), в которые добавляют соединения, содержащие легко возбуждаемые атомы, а также растворы красителей или атомы благородных металлов. Подбирая частоту лазерного излучения, можно менять глубину его проникновения в зону химической реакции. Основное значение при этом имеет высокая однородность (монохроматичность) излучения, позволяющая избирательно активировать определенные молекулы в реакционной смеси.

Другими словами, механизм лазерной химии заключается в избирательной активации определенных химических связей лазерным излучением, что, в конечном счете, должно приводить к образованию веществ с заданными свойствами.

Таким образом, можно сделать вывод, что лазерная химия является одним из эффективных методов инициирования (или активации) химических процессов.

1.5. Химия экстремальных состояний как направление в химии появилась в середине 19 века благодаря экспериментам К. де Латура. Основным предметом выступают исследования химических процессов в сверхкритических средах. В качестве первой и основной экспериментальной среды выступала вода, затем к ней добавились (по мере определения критической точки) диоксид углерода, ксенон, этанол, этан, этилен, аммиак, оксид одновалентного азота.

Значительную роль имеет использование сверхкритических сред для осуществления каталитических реакций, в которых катализатор проявляет наибольшую устойчивость. При взаимодействии реагентов с катализатором происходит ослабление исходных химических связей. Оно возможно при энергетической активизации реагента, которая достигается при тепловом либо радиоактивном воздействии. Вопросами энергетической активизации реагента занимается современная химия экстремальных состояний, которая включает плазмохимию, радиационную химию, химию высоких энергий, высоких давлений и температур.

Сверхкритическим флюидом (СКФ) — называют состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки является сверхкритическим флюидом.

Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, и низкой вязкостью, как и газы. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определенными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.

Одно из наиболее важных свойств сверхкритического состояния — это способность к растворению веществ. Изменяя температуру или давление флюида можно менять его свойства в широком диапазоне. Так, можно получить флюид, по свойствам близкий либо к жидкости, либо к газу. Растворяющая способность флюида увеличивается с увеличением плотности (при постоянной температуре).

Сверхкритическая флюидная экстракция — технологический процесс, заключающийся в переводе одного или нескольких компонентов твердой или жидкой смеси в «сверхкритический газ»-флюид. Производится контактированием смеси разделяемых компонентов с газообразным экстрагентом при температуре и давлении выше критической точки. Наибольшее распространение в качестве экстрагентов (растворителей) получили СО2, этан, этилен, пропан, SF6 и др.

Использование в качестве растворителя флюидов в сверхкритическом состоянии позволяет осуществлять углублённую переработку исходного сырья в различных индустриях: нефтехимической, пищевой, парфюмерной, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Сверхкритическая экстракция — относительно новый процесс; изучение и исследования в этой области активно проводятся с начала 1970-х гг. Основное число работ посвящено извлечению различных веществ сверхкритического СО2 из-за его высокой растворяющей способности, дешевизны, доступности, нетоксичности и невысоких критических параметров (критическая температура 31,3 °С, критическое давление 7,36 МПа).

Технология

Использование сверхкритических флюидов в процессах экстракции основано на высокой растворяющей способности различных сжатых газов, которая может быть сравнимой с растворяющей способностью жидких органических растворителей, а также на том факте, что растворяющая способность флюида в близкритической области претерпевает значительные изменения при малых изменениях температуры и давления. Это в свою очередь позволяет проводить углублённое фракционирование исходного сырья и регенерацию растворителя без дополнительных энергетических затрат путём дросселирования флюида до давления, при котором растворимость пренебрежимо мала.

Сверхкритическую флюидную экстракцию осуществляют, как правило, по схеме двухстадийного непрерывного процесса в аппаратах высокого давления, например в тарельчатых колоннах. На первой стадии сверхкритический газ контактирует с жидкой или твердой смесью, извлекая растворимые компоненты. На второй стадии экстрагент регенерируют путем сброса давления или изменения температуры, что приводит к полному осаждению извлеченных веществ. Затем рабочие параметры газа изменяют до требуемых значений и снова направляют его на первую стадию, организуя циркуляцию экстрагента.

Используют для экстрагирования (извлечения) веществ из лекарственных растений, чтобы максимально сохранить их свойства. Например, при изготовлении биологически активных добавок (веществ) (БАД).

Важное промышленное значение приобрело использование диоксида углерода в качестве сверхкритической среды.

Это обеспечивает экстракцию кофеина, получение фармацевтических препаратов, химическую чистку материалов, нанесение лакокрасочных покрытий и пленок, получение полимеров, сушку аэрогелей, приготовление пеноматериалов.

Сверхкритические состояния воды имеют важное экологическое значение при обезвреживании органических отходов, извлечении тяжелых металлов, переработке радиоактивных жидких отходов, разложении синтетических полимеров и диоксинов.

Жи́дкие криста́ллы (сокращённо ЖК) — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Подходящая аналогия для таких жидких кристаллов — длинная коробка с короткими карандашами, которые могут свободно поворачиваться вокруг своей оси, перемещаться вдоль коробки, но никогда не встают поперек. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики.

Важнейшее свойство жидких кристаллов — изменять цвет под воздействием температуры — используется для обнаружения невидимых простым глазом тепловых полей.

В 1965 г. в США собралась Первая международная конференция, посвящённая жидким кристаллам. В 1968 г. американские учёные создали принципиально новые индикаторы для систем отображения информации. Принцип их действия основан на том, что молекулы жидких кристаллов, поворачиваясь в электрическом поле, по-разному отражают и пропускают свет. Под воздействием напряжения, которое подавали на проводники, впаянные в экран, на нём возникало изображение, состоящее из микроскопических точек. И всё же только после 1973 г., когда группа английских химиков под руководством Джорджа Грея (англ. George William Gray) синтезировала жидкие кристаллы из относительно дешёвого и доступного сырья, эти вещества получили широкое распространение в разнообразных устройствах.

У ЖК необычные оптические свойства. Нематики и смектики — оптически одноосные кристаллы. Нематич. жидкие кристаллы (нематики N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при котором длинные оси молекул расположены однонаправленно при беспорядочном расположении центров тяжести молекул (рис. 1,в).

Холестерич. тип мезофазы (холестерики Сhоl) образуется двумя группами соед.: производными оптически активных стероидов, гл. обр. холестерина (отсюда назв.), и нестероидными соед., принадлежащими к тем же классам соед., к-рые образуют нематич. жидкие кристаллы, но обладающими хиральностью (алкил-, алкокси-, ацилоксизамещенные азометины, производные коричной к-ты, азо- и азоксисоединения и др.). В холестерич. жидких кристаллах молекулы расположены так же, как в нематических, но в каждом слое молекулы повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. В целом реализуется структура, описываемая спиралью (рис. 2).

Холестерики вследствие периодического строения сильно отражают свет в видимой области спектра. Поскольку в нематиках и холестериках носителями свойств является жидкая фаза, то она легко деформируется под влиянием внешнего воздействия, а так как шаг спирали в холестериках очень чувствителен к температуре, то, следовательно, и отражение света резко меняется с температурой, приводя к изменению цвета вещества.

Эти явления широко используются в различных приложениях, например, для нахождения горячих точек в микроцепях, локализации переломов и опухолей у человека, визуализации изображения в инфракрасных лучах и др.

С помощью жидких кристаллов обнаруживают пары́ вредных химических соединений и опасные для здоровья человека гамма- и ультрафиолетовое излучения. На основе жидких кристаллов созданы измерители давления, детекторы ультразвука. Но самая многообещающая область применения жидкокристаллических веществ — информационная техника.

В смектич. жидких кристаллах (их наз. смектиками, обозначают S) молекулы располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях (на смектич. плоскости). Длинные оси молекул могут располагаться как перпендикулярно к плоскости смектич. слоя (ортогональные смектики, рис. 1,а), так и под нек-рым углом к слою (наклонные смектики, рис. 1,б).

Рис. 1. Структура смектических (а и б)и нематических (в) жидких кристаллов (а - ортогональное, б - наклонное расположение молекул).

От первых индикаторов, знакомых всем по электронным часам, до цветных телевизоров с жидкокристаллическим экраном размером с почтовую открытку прошло лишь несколько лет. Такие телевизоры дают изображение весьма высокого качества, потребляя ничтожное количество энергии от малогабаритного аккумулятора или батарейки.

Пластические кристаллы и аморфные вещества также производит современная химия.

Плазмохимия изучает процессы в низкотемпературной плазме. В плазмохимии рассматриваются процессы при температурах от 1000 до 10 000 ºС. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и, что особенно важно, очень высокими скоростями реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10 с. Плазмохимические процессы поэтому очень высокопроизводительны.

Метановый плазмотрон с производительностью 75 т ацетилена в сутки имеет сравнительно крохотные размеры – длину 65 см и диаметр 15 см. Такой плазмотрон заменяет огромный завод. При температуре 3000-3500 ºС за одну десятитысячную долю секунды 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90-95%, а энергозатраты составляют не более 3кВтч на 1 кг ацетилена. В паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.

Создается плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков – основного сырья для порошковой металлургии. Разработаны методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден, при энергозатратах не более 1-2 кВтч на 1 кг. Таким образом, химия высоких энергий направлена на существенную экономию энергии.

Созданы плазменные сталеплавильные печи, выдающие высококачественный металл. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее не известные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связывающего вещества используются сталь, чугун, алюминий. Металлобетонные контейнеры для длительного хранения и транспортирования отходов ядерного топлива (ОЯТ).

Плазменные технологии расширяют возможности переработки отходов.

Радиационная химия – сравнительно молодая отрасль химии экстремальных состояний, ей немного более 40 лет. В настоящее время радиационная химия изучает превращение самых разнообразных веществ под действием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы.

В результате радиационно-химических реакций из кислорода образуется озон. Облучение полиэтилена, поливинилхлорида и многих других полимеров приводит к повышению их термостойкости и твердости.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона тем или иным мономером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Полимербетон (пластбетон, пластоцемент) — общее название бетонов, содержащих в своём составе термореактивное органическое связующее (обычно эпоксидную смолу) и большое количество дисперсного наполнителя (талька, аэросила, толчёного кварца, гранитной крошки и др.). Состав может называться пластоцементом если количество наполнителя более 50 %.

По сравнению с цементными бетонами, полимерные и полимерцементные бетоны обладают большей прочностью на растяжение, меньшей хрупкостью, лучшей деформируемостью. У них более высокие водонепроницаемость, морозостойкость, сопротивление истиранию, стойкость к действию агрессивных жидкостей и газов.

Известно,[1] что наполнение смол дисперсными наполнителями более 5 % резко понижает их прочностные свойства (в зависимости от степени наполнения). Пластоцементы никогда не используются в качестве композитов для деталей, находящихся под нагрузкой. Также цена пластоцементов значительно выше обычных неорганических цементных смесей, что определяет их узкую специализацию.

Полимербетон еще называют «искусственный камень» из-за его прочности и внешнего сходства. Применяется полимербетон для герметизации резервуаров, шпатлёвки, грунтовки, при изготовлении наливных полов, для выравнивания неровностей и дефектов в металлических изделиях, в производстве мебели и как строительный материал.

Дополнение.

Химическая эволюция, или абиогенез, протекала в три этапа. Первый этап – синтез низкомолекулярных органических соединений (мономеров) из газов первичной атмосферы; второй этап – полимеризации мономеров с образованием цепей белков и нуклеиновых кислот; третий этап – образование фазово-обособленных систем органических веществ, отделенных от внешней среды мембранами.

В процессе развития нашей планеты происходил отбор химических элементов в биотических и абиотических системах.

Определяющими факторами в отборе химических элементов выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям: а) способность образовывать прочные и энергоемкие химические связи; б) эти связи должны быть лабильными, т.е. способны к образованию новых разнообразных связей. Вот почему углерод отобран из многих других элементов как органоген № 1. Название органогенов получили такие элементы в химии, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Основу живых существ составляют семь элементов (органогенов).

Теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем в самом общем виде является общей теорией химической эволюции и биогенеза. Данная теория была разработана в 1964 г. А.П. Руденко. Она решает вопрос о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствие эволюции. По мере усложнения состава и структуры химических систем роль каталитических процессов усиливалась

Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и следовательно эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.

 

 

Лекция 8. Современная химия: экономический и социальный эффект.

Цель: способствовать формированию представлений о роли химии для развития современного промышленного и сельскохозяйственного производства, ее взаимосвязи с проблемами охраны окружающей среды.

Вопросы для рассмотрения:

1. Масштабы современного химического производства.

2. Химия и охрана окружающей среды.

3. Задачи, решаемые химией в интересах устойчивого развития цивилизации

4. Основные концепции современной химии.

5. Перспективные химические процессы и материалы.

6. Роль химии в решении продовольственной проблемы.

7. Значение химических знаний в повседневной жизни.

Введение.

На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш пре­док научился изготавливать и использовать простейшие ору­дия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказавшись перед про­блемой обеспечения пищей, освоил охоту, затем земледелие и скотоводство. Освоение все более сложных орудий и пред­метов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источников энергии к более совер­шенным. Энергетическая проблема последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, и, наконец, энергии атома.

Необходимость повышения производительности труда и эф­фективности производства, роста темпов добычи и перера­ботки громадного объема минеральных ресурсов, наряду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем вызвали к жизни использование химической технологии, все­общую химизацию, а затем компьютеризацию общественно­го производства и быта.

 

2. Современное химическое производство иначе,