Современная химия

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Современная химия

1. Развитие и современная структура химических знаний

Естествознание как наука о явлениях и законах природы включает одну из важнейших отраслей - химию. В современном понимании химия - наука о превращениях веществ, сопровождающихся изменением их состава и (или) строения.

История развития химических знаний начинается с древних времен, когда в V в. до н.э. древнегреческий философ Левкипп впервые предложил гипотезу атомного строения материи. Гораздо позднее (примерно с III в. н.э.) античному натурфилософскому атомистическому учению о строении вещества противопоставлялась алхимия - донаучное направление, получившее развитие в Западной Европе в XI-XVI вв. Основные задачи алхимии заключались в поисках так называемого «философского камня» для превращения неблагородных металлов в золото и серебро, всоздании эликсира долголетия. В эпоху Возрождения результаты химических исследований все чаще находили применение в металлургии, стеклоделии, производстве керамики, красок и т.п.

Первое научное определение химического элемента предложил 1661 г. английский химик и физик Р.Бойль (1627-1691), основоположник экспериментального химического анализа. В современном представлении химический элемент -совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основываясь на результатах своих экспериментов, Р. Бойль сделал важный вывод: качества и свойства вещества зависят от того из каких химических элементов оно состоит.

Первая химическая теория - теория флогистона,согласно которой металлы (железо, медь, свинец и др.) считались сложными веществами, состоящими из соответствующих элементов и универсального «невесомого тела» - флогистона, оказалась ошибочной.

Принято считать, что химия стала подлинной наукой во второй половине XVIII в., когда первый российский ученый-естествоиспытатель М.В. Ломоносов сформулировал закон сохранения материи и движения и исключил из числа химических агентов флогистон - невесомую материю. Выяснив роль кислорода в процессе горения, окисления и дыхания, французский химик А.Л. Лавуазье (1743-1794) полностью опроверг теорию флогистона.

В началеXIX в. английский химик и физик Дж. Дальтон заложил основы химической атомистики. Он впервые ввел понятие «атомный вес», определил атомные массы (веса) ряда элементов и открыл в 1803 г. закон кратных отношений:если два химических элемента образуют друг с другом более одного соединения, то массы одного элемента, приходящиеся на одну и ту же массу другого, относятся как целые числа, обычно небольшие.

В 1811 г. итальянский физик и химик А. Авогадро ввел термин «молекула» и выдвинул молекулярную гипотезу строения вещества. Молекула-микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Атомно-молекулярные представления утвердились лишь в 60-х годах XIX века. В те годы, а именно в 1861 г., выдающийся русский химик A.M. Бутлеров создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием.

Одним из фундаментальных законов естествознания является периодический закон химических элементов, открытый в 1869 г. выдающимся русским ученым Д.И.Менделеевым. Современная формулировка этого закона такова:с войства элементов находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер. Согласно периодическому закону Д.И. Менделеев расположил все известные химические элементы в виде периодической системы, широко известной как «таблица Менделеева».Заряд ядра равен атомному (порядковому) номеру элемента в Периодической системе Менделеева.

С конца XIX в. важнейшими задачами химии являются разработка способов управления химическими процессами и синтез химических соединений с новыми свойствами.

По мере развития химии формировались многие ее отрасли: органическая химия, физическая химия, аналитическая химия и др. На стыке химических и других отраслей естествознания появились биохимия, агрохимия, геохимия и т.д. Результаты химических исследований составляют основу многих современных технологий.

Современная химия вышла на уровень молекулярных исследований, который позволил раскрыть механизмы многих процессов в живом организме, синтезировать несуществующие в природе вещества, расшифровать генные механизмы наследственности.

Современное учение о химических процессах включает фундаментальные знания физики, химии и биологии. Стремление ученых - создать лаборатории живого организма, где можно было бы воспроизводить химические процессы в биологических системах, свидетельствует о необходимости органической взаимосвязи разных естественнонаучных отраслей.

Наш соотечественник, лауреат Нобелевской премии по химии 1956 г. выдающийся химик Н.Н. Семенов (1896-1986) создал общую теорию цепных реакций и основал химическую физику. Он полагал, что химический процесс нельзя рассматривать без восхождения от таких простых объектов, как электрон, нуклон, атом и молекула, к живой биологической системе, ибо любая клетка любого организма представляет собой, по существу, сложный химический реактор. В этой связи химический процесс - это мост между физическим и биохимическим объектами. Одно из важнейших направлений учения о свойствах вещества - создание методов управления химическими процессами.

Успехи в развитии современной химии во многом определяются эффективностью управления трансформацией химических веществ, повышению которой способствует внедрение новых экспериментальных методов контроля и анализа сложных молекулярных структур. Химическое превращение начинается со смешивания реагентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинстве случаев оно включает ряд промежуточных стадий, и для полного понимания механизма реакции нужны сведения о свойствах промежуточных веществ, образующихся на каждой стадии, протекающей, как правило, очень быстро. Если 20-30 лет назад технические средства эксперимента позволяли проследить за промежуточными молекулами со временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники излучения существенно расширили временной диапазон исследований до 10-15 с.

При взаимодействии двух химических соединений образование продуктов реакции определяется статистической вероятностью, зависящей от исходного энергетического состояния, возбуждения и взаимной ориентации молекул при столкновениях, в которых принимают участие молекулы реагирующих соединений. Современная вакуумная техника открывает новые возможности для взаимодействия реагирующих соединений при столкновении молекул. В глубоком вакууме, где длина свободного пробега молекул велика, столкновение молекул может происходить в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону перекрытия двух молекулярных пучков реагирующих соединений, в которой возрастает вероятность участия каждой молекулы не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Это означает, что появилась реальная возможность для изучения тонких процессов и управления химическими превращениями.

В последние десятилетия активизировались исследования в смежных отраслях естествознания - химии металлорганических и бионеорганических соединений, химии твердого тела, биогеохимии и др. Неорганические элементы и соединения, из которых в основном состоят объекты неживой природы, играют важную роль в живых организмах, весьма чувствительных, например, к ионам металлов почти всей Периодической системы элементов Менделеева. Некоторые ионы принимают участие в жизненно важных процессах: связывание и транспорт кислорода (железо в гемоглобине), поглощение и конверсия солнечной энергии (магний в хлорофилле), обмен электрическими импульсами между клетками (натрий, кальций, калий в нервных клетках), мышечное сокращение (кальций), ферментативный катализ (кобальт в витамине В12) и др.

Химики-металлорганики стремятся создать новые эффективные катализаторы для фиксации азота, т.е. для превращения молекулярного азота N2 в аммиак NH3 - исходный продукт для производства удобрений. Другая не менее важная задача - синтез соединений, способных избирательно взаимодействовать с теми молекулами, которые долгое время считались слишком инертными для химических превращений, но представляли и представляют практический интерес. Например, насыщенные углеводороды относительно инертны, не содержат двойных или тройных углеродных связей. Тем не менее удалось синтезировать соединения родия и иридия, содержащие фосфины, карбонилы, и другие соединения, способные расщеплять связи С-Н в метане и циклопропане. При сочетании такой важной реакции синтеза с другими видами превращений можно наладить массовое производство насыщенных углеводородов - важнейшего промышленного сырья. Этим способом можно осуществить прямое превращение метана в метанол (метиловый спирт) - ценное сырье для производства многих продуктов химической промышленности.

Один из способов эффективного управления химическими процессами заключается в повышении селективности (избирательности) вступающих в реакцию химических соединений. Для реализации такого способа необходимо определить реакционную способность соединений для всех видов химической связи и создать при их взаимодействии оптимальную ориентацию молекул с вполне определенными периодической пространственной конфигурацией и структурой.

Высокая эффективность управления химическими процессами достигается при фотохимическом синтезе, основанном на действии электромагнитного излучения, способствующего переходу молекул в возбужденное энергетическое состояние, при котором повышается активность многих химических превращений. При воздействии излучения даже некоторые химически инертные вещества становятся реакционноспособными. В результате фотохимического синтеза получены биологически активные соединения: алкалоид атизин, антибиотики, провитамин D3 и др. Активность фотохимического синтеза в значительной степени зависит от длины волны возбуждающего излучения.

При воспроизведении природных веществ, обладающих определенными свойствами и выполняющих те или иные функции, процесс управления химическим синтезом включает ряд операций:

обнаружение воспроизводимого природного соединения и его химическое выделение;

определение химического состава и структуры;

синтез искусственного вещества с заданными свойствами.

Именно так синтезированы многие искусственные лекарственные вещества: антибиотики, витамины, гормоны, и др.

В управлении химическими процессами большую роль играет катализ, который широко применяется для синтеза огромного разнообразия органических и неорганических соединений.

Катализ -ускорение химической реакции в присутствии веществ - катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Термин «катализ» впервые предложил шведский химик и минералог И.Я. Берцелиус (1779-1848). Благодаря катализу повышается скорость реакций даже при небольших температурах, активизируется образование только определенных продуктов из ряда возможных. Катализ - основа многих химико-технологических процессов, например производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака и др. Большинство превращений, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Хорошо известна реакция между кислородом и водородом, приводящая к образованию воды

2Н2 + О2 = 2Н2О

Смесь двух объемов газообразного водорода и одного объема кислорода, называемая гремучим газом, способна реагировать со взрывом и выделением большого количества тепла. Однако реакция протекает настолько медленно, что даже после продолжительной выдержки этой смеси вряд ли удастся обнаружить хоть какое-нибудь количество воды. Скорость реакции существенно повышается при нагревании реакционной смеси или при воздействии на нее электромагнитного излучения. Аналогичное действие оказывает и введение катализатора, который помогает преодолеть энергетический барьер, препятствующий началу реакции.

Некоторые промышленные химические процессы осуществляются между газообразными реагентами при наличии твердых катализаторов. Однако на практике обычно осуществляются жидкофазные каталитические процессы. В последние десятилетия не менее 20% всей промышленной химической продукции производят каталитическим способом, причем большая часть - с участием катализа на поверхности твердого тела.

К довольно эффективным катализаторам относятся ионообменные смолы, металлорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическими свойствами обладают металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.

В технологическом процессе некоторые катализаторы позволяют существенно снизить не только температуру, но и давление. Например, синтез метанола с помощью катализатора осуществляется при давлении 50 атм и температуре 260-290 °С, в то время как раньше он производился при давлении до 1000 атм и температуре 300-400 °С.

Катализаторы существенно ускоряют химические реакции. С участием катализатора скорость некоторых реакций увеличивается в 10 млрд. раз. Селективные катализаторы оказывают такое же сильное влияние, но лишь на одну из многих конкурирующих реакций. Стереоселективные катализаторы позволяют не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствуют образованию молекул определенной формы и зачастую сильно влияют на физические и биологические свойства продукта.

Каталитические процессы принято классифицировать с учетом их физической и химической природы. Различают несколько основных видов катализа: гетерогенный и гомогенный, электрокатализ, фотокатализ и ферментативный катализ.

В гетерогенном катализе химическая реакция происходит в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов.

При гомогенном катализе исходные реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой).

В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. В нем в отличие от гетерогенного катализа возможно управление химическим процессом при изменении силы электрического тока.

При фотокатализе химическая реакция стимулируется энергией поглощенного излучения и может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе.

Процесс с участием ферментов называется ферментативным катализом. Ему присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты - это большие белковые структуры, способные удерживать молекулы реагента в ждущем состоянии до начала реакции. Фермент, кроме того, выбирает подходящие химические вещества для нужной реакции.

2. Химический состав Земли и внеземных объектов

Геохимические процессы, протекающие в недрах Земли и на ее поверхности, представляют собой превращения сложных соединений и смесей, состоящих из кристаллических и аморфных фаз. Многие из них протекают при очень высоких давлениях и температурах. Современные технические средства эксперимента позволяют воспроизвести в лаборатории условия, близкие к условиям внутри Земли и даже земного ядра. Природные процессы: кристаллизация, частичное растворение, изменение структуры минералов (метаморфизм), выветривание и т.п. - приводят к образованию рудных отложений или к их разрушению и рассеянию.

Химия внесла и вносит существенный вклад в исследование космического пространства благодаря созданию ракетного топлива и современных материалов, способных выдержать огромное давление, высокую температуру и интенсивное космическое излучение, электрохимических источников энергии, разнообразных химических средств для обеспечения питания космонавтов. Космос с давних пор стал объектом химических исследований. На стыке химии и астрофизики зародилась новая отрасль естествознания - космохимия, изучающая состав космических тел, законы распространенности элементов во Вселенной.

Большой интерес для космохимии представляют метеориты: они дают необходимую информацию об эволюции небесных тел, находящихся на разных стадиях развития. При этом важную роль играет анализ изотопного состава многих металлов и газообразных веществ, найденных в метеоритах. Первые результаты о химическом составе небесных тел получены с помощью спектрального анализа. В химических лабораториях, кроме того, исследовался состав метеоритного вещества. Состав метеоритов оказался единообразным, как если бы они происходили из одного и того же рудника. До сих пор ни в одном метеорите не найден химический элемент, который не встречался бы на Земле! С помощью самых точных методов анализа в метеоритах обнаружены почти все известные на нашей планете химические элементы. Характерная особенность большинства метеоритов заключается в том, что они содержат много чистого железа и очень мало наиболее распространенного на Земле кварца. Вещества, которые указывали бы на существование жизни в космосе, пока не найдены, хотя углерод обнаружен в виде крошечных алмазов, графита и аморфного угля. Относительно недавно появилось сообщение об обнаружении бактериоподобной структуры в метеорите с Марса, что является предметом дальнейшей дискуссии о существовании жизни на этой планете в далеком прошлом.

Наиболее часто встречающиеся каменные метеориты, как и большинство земных пород, состоят в основном из силиката магния. Железные метеориты содержат до 90% железа, 6-20% никеля. Кроме того, метеориты содержат кобальт, медь, хром, фосфор, серу, платину, палладий, серебро, иридий, золото и другие элементы. Встречаются включения газов: водорода, оксида и диоксида углерода.

Прямая геологическая разведка небесных тел началась 21 июля 1969 г., когда человек впервые ступил на поверхность Луны и взял пробы лунного грунта. Результаты анализа показали, что за исключением несколько повышенного содержания тугоплавких соединений титана, циркония, хрома и железа, лунные породы по своему составу очень похожи на земные. Некоторые различия выявились в свойствах металлов. Так, лунное железо ржавеет медленнее, чем земное. В верхнем слое лунного грунта обнаружен удивительный минерал, получивший название реголит, имеющий сравнительно низкую теплопроводность.

Продолжается исследование планет Солнечной системы. С помощью космического зонда, отправленного к Венере, в результате гамма-спектрального анализа установлено, что грунт Венеры по химическому составу соответствует граниту.

Вещество, находящееся в межзвездном пространстве, состоит из газа и пыли. Наиболее распространенными газами в космическом пространстве являются водород (70 %) и гелий (28 %). В газовых межзвездных облаках обнаружено более 20 химических компонентов. Наряду с простыми химическими соединениями (СО, Н2 , HCN, Н2О, NH3) в 200 космических газовых скоплениях найдены и более сложные соединения - метанол, изоциановая кислота, формальдегид, метил-ацетилен и ацетальдегид. Относительно недавно обнаружены молекулы этилового спирта, муравьиной кислоты.

Исследования космохимии носят преимущественно познавательный характер, но нельзя исключать, что в будущем они обретут практическую значимость. Тем не менее, уже получены некоторые важные для практики результаты. Например, для химико-фармацевтической промышленности представляет практический интерес более интенсивное развитие бактериальных культур в невесомости, чем на Земле. Металлурги могут получить в невесомости сплавы с уникальными свойствами. Весьма перспективно выращивание в космосе бездефектных монокристаллов, особенно оксидов металлов. По-видимому, в XXI в. будет развиваться новая отрасль естествознания - химия космического синтеза.

Основная масса сырья для химической промышленности добывалась и добывается из поверхностного слоя земной коры. Доступная современным средствам массовой добычи толщина верхнего слоя земной коры не превышает 2 км. Вещество поверхностного слоя состоит в основном из восьми химических элементов:

кислород (47,0 %),

кремний (27,5 %),

алюминий (8,8 %),

железо (4,6 %),

кальций (3,6 %),

натрий (2,6 %),

калий (2,5 %),

магний (2,1 %).

Среднее содержание химических элементов в земной коре хотя и абсолютно велико, но слишком мало для рентабельной повсеместной добычи ввиду их рассеянности. Рентабельны лишь те месторождения, где сосредоточены существенные запасы тех или иных полезных ископаемых. Они встречаются редко и неравномерно распределены по земному шару. Ни одна страна планете не располагает всеми необходимыми видами природного сырья достаточном количестве. Тем не менее, на территории России находятся многие месторождения наиболее важных видов ценного природного сырья: железных руд, нефти, природного газа, каменного угля и др.

Запасы природного сырья, интенсивно добываемого современными техническими средствами во всем мире, быстро исчерпываются - ресурсы Земли хотя и очень велики, но ограничены. Наряду с этим, химические элементы в природе, как бы интенсивно они ни эксплуатировались, не уничтожаются, а переходят в различные соединения, но становятся мало пригодными для экономического оборота.

Решающую роль в сбережении природных ресурсов должны сыграть новейшие химические технологии. Можно привести примеры, когда они спасали от кризиса промышленное производство. Один из них связан с внедрением содовой технологии в 1789 г. во Франции, которая направила в новое русло производство стекла. До ее внедрения применялось калиевое сырье, вырабатываемое из древесины, что привело к почти полному истреблению лесных массивов. Таким образом, новая технология способствовала, с одной стороны, развитию производства стекла, а с другой - сохранению леса.

Ограниченность природных ресурсов в богатых месторождениях и возрастающая их потребность уже сегодня приводят к необходимости:

осваивать морские шельфы, и добывать сырье, содержащееся в морской воде;

разрабатывать бедные месторождения;

увеличивать объемы утилизации отходов;

ускорить замену дефицитного сырья.

Весьма перспективен для добычи морской шельф, находящийся на глубине до 200 м. Подводные окраины материков, общая площадь которых чрезвычайно велика, в ближайшем будущем станут основным источником многих видов природного сырья.

Металлы. В недрах Земли содержится сравнительно большое количество металлов, но их доля в соединениях, из которых они извлекаются для промышленной переработки, весьма ограничена. При современных темпах и масштабах добычи, по предварительным оценкам, основные запасы таких металлов, как свинец, медь, золото, цинк, олово, серебро и уран, уже в ближайшие десятилетия могут быть исчерпаны. В то же время железо, марганец, хром, никель, молибден, кобальт и алюминий будут добываться в достаточном количестве даже в середине XXI в.

Самое необходимое, важное и широко потребляемое из всего металлического сырья железо занимает четвертое место по распространенности в земной коре. Его разведанные и используемые мировые запасы составляют примерно 100 млрд. т. Наибольшими запасами железных руд располагают Россия (примерно 40% всех руд), Австралия, Канада, СЩА и Бразилия. В одной только Курской магнитной аномалии сосредоточено около 30 млрд, т железных руд, т.е. почти треть мировых запасов.

Медь - второй по практической значимости металл. Около 37% его месторождений находится в Чили. Запасы меди весьма ограничены: в известных месторождениях они составляют 210-250 млн.т. При современных темпах потребления ее запасы в ближайшем будущем будут исчерпаны.

Медь как электропроводящий материал можно заменить легким металлом - алюминием, которому принадлежит третье место по распространенности в земной коре. Хотя в целом запасы алюминия велики - около 8,8% массы земной коры, однако только 0,008% этой массы содержится в бокситах; их мировые запасы - 6 млрд. т. Примерно треть из них сосредоточена в Австралии. При ежегодном производстве алюминия 15-30 млн. т и темпах его роста до 9% в год запасов бокситов хватит надолго.

Запасы еще одного важнейшего легкого металла - магния - достаточно велики (около 2,1% массы земной коры), и с учетом сегодняшних потребностей их хватит на сравнительно долгое время.

Титан - коррозионностойкий материал. Иногда его считают достойным соперником алюминия и стали. Применение титана в химической промышленности за последние десятилетия резко возросло.

Углерод. Углерод по распространенности в природе занимает тринадцатое место. На его долю приходится 0,087% массы земной коры, из которых около 99,5 % содержится в карбонатных породах (карбонатах кальция и магния), 0,47 % составляет диоксид углерода в атмосфере и в воде, 0,02% приходится на уголь, нефть и газ и 0,01 % - на биосферу.

Рациональное использование запасов углерода возможно при выполнении следующих условий:

химические технологии должны обеспечить синтез разнообразных

необходимых соединений из любого имеющегося углеродного сырья;

для химической промышленности следует применять огромные запасы повсеместно встречающихся карбонатов;

для энергетики нецелесообразно потреблять углерод, связанный в органические ископаемые соединения.

В действительности же и энергетика, и химическая промышленность интенсивно потребляют горючие ископаемые: уголь, нефть и природный газ. Причем производство углеводородов из нефти и газа экономически гораздо более выгодно, чем из угля. Производительность труда в нефтехимии примерно в 12-16 раз выше, чем в химии карбонатов. Быстрыми темпами растет потребление природного газа. Он используется для производства электроэнергии и бытовых нужд, а также как сырье для промышленного производства ацетилена, формальдегида, метанола, синильной кислоты, водорода и т.д.

На смену нефти и природному газу придет уголь, и лидирующее место займут химические технологии по переработке угля. Уже разработаны способы эффективного производства моторного топлива и других химических продуктов при переработке угля. Запасы угля гораздо больше, чем нефти и природного газа, но все же они ограничены.

Чего же следует ожидать после истощения богатых ресурсов природного газа, нефти и угля? Вероятно, углерод будет извлекаться и из карбонатов, когда их химическое превращение станет энергетически выгодным. Уже наметились пути уменьшения затрат энергии при их переработке. На стадии разработки находится каталитический метод превращения углекислого газа СО2 воздуха в полезные органические соединения без высоких температур и давления. Не следует забывать об углероде, накопленном в биосфере. Растительный мир Земли можно рассматривать как непрерывно работающие химические фабрики, потребляющие энергию Солнца и благодаря фотосинтезу производящие многие органические вещества естественного происхождения. При рациональном потреблении продукции таких фабрик хватит на продолжительный срок.

Основную массу природного органического сырья, потребляемого для производства тепла, электроэнергии и разнообразной химической продукции, составляют горючие вещества: нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, смоляные пески, торф, биомасса и древесина.

Нефть. Вплоть до середины XIX в. нефть использовалась преимущественно как колесная мазь и в лечебных целях. В 1860 г. мировая потребность в ней составляла около 70 тыс. т. К концу XIX в. она возросла до 21 млн. т и через 75 лет - до 2730 млн. т. В последние десятилетия потребление нефти в мире постоянно увеличивалось. Разведанные запасы нефти на конец 1974 г. оценивались в 97 млрд. т, а к началу 90-х годов XX в. - около 600 млрд. т. По некоторым оценкам, в 2000 г. разведанные запасы приблизились к 800-1000 млрд. т. В 2000 г. добыча нефти в России составила около 300 млн. т. Потребность в нефтепродуктах продолжает возрастать. Предполагается, что при нынешних темпах добычи и потребления запасов нефти хватит до 2050 г.

Значительная доля нефти расходуется на производство топлива для различных энергоустановок, в том числе и для транспорта.

Добычу нефти осуществляют в три этапа. На первом этапе извлекается 10-30% нефти при естественном давлении из природного резервуара, заполненного сложными образованиями из пористых пород. На втором этапе при закачивании в скважины воды, газа или пара нефть выталкивается на поверхность, что позволяет получить дополнительно до 35 % разведанных запасов. На третьем этапе применяют поверхностно-активные вещества и полимерные растворители для извлечения нефтяных фракций из водной среды.

Сырая нефть чаще всего представляет собой маслянистую жидкость, состоящую преимущественно из сложной смеси углеводородов - алканов с линейной структурой и в основном с одинарными связями. Кроме алканов нефть содержит разветвленные и циклические углеводороды, а также алкены и ароматические вещества.

Процесс переработки нефти, называемый крекингом, начинается с перегонки, при которой различные компоненты нефти разделяются на фракции в соответствии с их температурой кипения. Вначале извлекаются наиболее летучие углеводороды, один из них октан C8H18. По октановому эквиваленту оценивается качество моторного топлива. В процессе переработки удаляются различные примеси, включая серу, и в результате каталитического крекинга производится расщепление больших молекул, при котором образуются соединения с более низкой температурой кипения.

Для переработки нефти используются катализаторы из платины, палладия, родия и иридия. С применением платинового катализатора алканы превращаются в углеводороды с лучшими горючими свойствами и большим октановым числом. Относительно недавно освоены новые каталитические процессы с применением цеолитовых молекулярных сит (алюмосиликатов). В последнее время в добываемой нефти возрастает доля нефти с относительно большой концентрацией примесей серы, хлора, ванадия, никеля и др., затрудняющих процесс катализа. Поэтому технологический цикл переработки нефти необходимо совершенствовать, чтобы производить высокооктановое топливо, продукты сгорания которого не загрязняли бы окружающую среду.

В результате переработки нефти получается более двух десятков основных соединений. Наиболее важные из них - этилен, пропилен, бутадиен, изопрен, ароматические соединения (бензол, толуол, ксилол) и газовая смесь оксида углерода с водородом. На основе этих соединений синтезируются тысячи видов промежуточных и конечных продуктов. В настоящее время около 90%всех органических соединений производится из нефти и природного газа.

Уголь. Мировые запасы доступного для разработки угля в 20-40 раз превосходят нефтяные ресурсы. Например, в США угля в 50-100 раз больше, чем нефти. Уголь - наиболее распространенное в природе минеральное топливо, роль которого в ближайшие десятилетия будет расти по мере истощения нефтяных и газовых месторождений. По прогнозам ученых, запасов каменного угля должно хватить примерно на 150 лет. Поэтому повысится и практическая значимость прикладных исследований, направленных на разработку эффективных и экологически чистых способов переработки ценного угольного сырья. Экономически выгодная широкомасштабная переработка угля в эффективное топливо позволила бы сохранить нефть для производства многих видов сырья для химической промышленности и сократить потребление нефтепродуктов в качестве топлива. С развитием химической технологии уголь станет одним из важнейших источников сырьевых продуктов, которые в настоящее время получают в основном из нефти.

Уголь - твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения, содержит кроме углерода и водорода, серу и азот, а также некоторое количество минералов и влаги. Соотношение водород/углерод в угле примерно равно единице, что вдвое меньше, чем в бензине, поэтому как топливо уголь менее эффективен. При химической переработке угля вначале из него удаляются сера, азот и неорганические примеси. Затем уголь превращается в жидкий синтез-газ - смесь монооксида углерода (СО) и водорода.

Производство синтез-газа пока экономически невыгодно. Тем не менее, промышленная переработка угля уже достигала крупных масштабов. Так, во время Второй мировой войны в Германии, лишенной доступа к источникам нефти, из угля получено 585 тыс. т углеводородного топлива. Синтез-газ превращался в моторное топливо с помощью кобальтового катализатора. В недалеком прошлом в ЮАР около 40%топлива (1 750 тыс. т в год) производилось из угля с применением железного катализатора.

Природный газ. Один из важнейших источников энергоресурсов и химического сырья - природный газ - представляет собой смесь углеводородов с относительно небольшой молекулярной массой. Состав природного газа весьма разнообразен. Обычно он содержит 60-80 % метана, остальное приходится на этан С2Нб, пропан СзН8 и бутан С4Н10, соотношение которых может быть различным. В природном газе есть и примеси, включающие серу, азот и другие вещества. Обычно этан и пропан каталитически превращают в этилен С2Н4, пропилен СзН6 и ацетилен С2Н2 - ценное химическое сырье для производства разнообразной полезной продукции.

По оценке Международного газового союза, общие разведанные запасы природного газа на начало 1999 г. составили около 260 трлн. м3. Предполагается, что к 2015 г. ежегодная мировая потребность в газе достигнет 3,7 трлн.м3, что на 80% больше, чем в 1990 г. Разведанные запасы природного газа в России составляют около 50 трлн. м3, а ежегодное его потребление - 570-600 млрд. м3.

Природный газ легко транспортируется по трубопроводу. В последние десятилетия его потребление резко возросло. Значительная доля мировых ресурсов природного газа принадлежит России. Его запасы, например в США, несколько превосходят запасы нефти. Во всем мире источники природного газа быстро истощаются и при нынешних темпах использования запасы природного газа иссякнут через 80 лет.

3.Масштабы химической индустрии и перспективы развития химии

Масштабы химической индустрии. Долгое время необходимые человеку товары повседневного спроса (продукты питания, одежда, краски и т.п.) производились путем переработки преимущественно природного сырья растительного происхождения. Современные химические технологии позволяют синтезировать из сырья не только естественного, но и искусственного происхождения многочисленную и многообразную по свойствам продукцию, не уступающую по качеству природным аналогам. Потенциальные возможности химических превращений природных веществ поистине безграничны. Возрастающие с каждым годом потоки природного сырья - нефти, газа, угля, минеральных солей, силикатов, руды превращаются в краски, лаки, мыло, минеральные удобрения, моторное топливо, пластмассы, искусственные волокна, средства защиты растений, биологически активные вещества, лекарства и различное исходное сырье для производства других необходимых и ценных веществ, обеспечивающих жизнедеятельность современного человека.

Химические технологии и связанное с ними промышленное производство охватывают в основном все важнейшие сферы хозяйственной деятельности человека:

Химическая, текстильная, целлюлозно-бумажная и легкая промышленность, производство стекла и керамики, производство различных материалов, строительство, горное дело, металлургия.

Машино- и приборостроение, электроника и электротехника, средства связи, военное дело, сельское и лесное хозяйство, пищевая промышленность, охрана окружающей среды, здравоохранение, домашнее хозяйство, средства информации.

Повышение производительности труда, экономия материалов;

Улучшение условий труда и быта, рационализация умственного труда;

Здоровье, питание, одежда, отдых;

Жилище, культура, воспитание, образование, охрана окружающей среды, оборона. химический знание крекинг

Приведем несколько примеров внедрения химических технологий. Один из них связан с изготовлением интегральных схем для микроэлектроники с применением химически чистого кремния, которого в природе нет. Однако такой кремний можно получить в результате химического превращения диоксида кремния в виде песка, а это означает, что химические технологии позволяют превратить обычный песок в элементный кремний.

Другой характерный пример касается сжигания топлива. Автомобильный транспорт потребляет громадное количество топлива. Что нужно сделать, чтобы добиться минимального загрязнения атмосферы выхлопными газами? Частично проблема решается с помощью автомобильного каталитического конвертора выхлопных газов. Радикальное же ее решение заключается в химическом превращении исходного сырья - сырой нефти - в очищенные продукты. Химические технологии и связанная с ними индустрия вынуждены реагировать на осознанное (особенно в последние десятилетия) стремление общества сохранить окружающую среду.

Представляют интерес некоторые цифры, характеризующие выпускаемую и потребляемую химическую продукцию. Во второй половине XX в. средний горожанин использовал в повседневной жизни 300-500 разнообразных химических продуктов, из них около 60 - в виде текстильных изделий, примерно 200 - в быту, на рабочем месте и во время отдыха, примерно 50 медикаментов и столько же продуктов питания и средств приготовления пищи. Технология изготовления некоторых пищевых продуктов включает до 200 различных химических процессов.

Около десяти лет назад насчитывалось более 1 млн. разновидностей продукции, выпускаемой химической промышленностью. К тому времени общее число известных химических соединений составляло более 8 млн., в том числе примерно 60 тыс. неорганических соединений. Сегодня известно более 18 млн. химических соединений. В последнее время во всех лабораториях нашей планеты ежедневно синтезируется 200-250 новых химических соединений. Все это свидетельствует об огромных масштабах современной химической индустрии.

Перспективы развития химии. В последние десятилетия благодаря открытию новых явлений и эффектов, прежде всего физических, и созданию на их основе высокочувствительных приборов (электронных микроскопов, спектроскопов, масс-спектрометров и др.) появилась реальная возможность проводить экспериментальные химические исследования на современном молекулярном уровне. Такие исследования позволили раскрыть механизм многих процессов в живом организме, синтезировать не существующие в природе вещества с необычными свойствами, установить сложную структуру молекулы ДНК, расшифровать молекулярный генный механизм наследственности и многое другое.

Молекулярный уровень экспериментальных исследований позволяет создавать не только сверхпрочные, сверхпроводящие и другие материалы с новыми свойствами, но и производить операции с фрагментами ДНК, изменяя ее генетический код. Сегодня уже говорят о конструировании устройств из отдельных молекул и создании молекулярного компьютера, обладающего чрезвычайно большими возможностями.

В последние десятилетия бурно развивается химия композиционных материалов (композитов). К настоящему времени синтезировано множество композитов с уникальными свойствами, среди которых можно назвать неметаллические проводники из чередующихся слоев, многослойную керамику для соединения полупроводниковых систем и др. Особый интерес представляют композиты на сверхтонких волокнах. Тонкие волокна толщиной 50-100 нм (тоньше человеческого волоса) существенно изменяют свойства вещества, в котором они равномерно распределены.

Список литературы

1. Биологический энциклопедический словарь / Гл. ред. М.С. Гиляров. - М.: «Сов. Энциклопедия». - 1989. - 864с., ил.

2. Блум Ф. Мозг, разум, поведение. - 1987. - 122с.

3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студ. вузов. - М.: Гуманитарный изд. центр «ВЛАДОС». - 2000. - 512с.: ил.

4. Диденко А.В. Естествознание и психология: Фондовая лекция. Томск: Томский филиал Академии ФСИН России. 2006. - 31 с.

5. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Учебник под ред. акад. М.Ф. Жукова. 2-е изд. - М.: ИВЦ «Маркетинг»; Новосибирск: ЮКЭА. - 2000. - 832с.

6. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум. М.: «Высшая школа», 2002. - 110с.

7. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М.: Изд-во «Высшая школа» - 2003. - 488с.: ил.

8. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: Учебник. - М.: ТК Велби, Изд.: «Проспект». - 2004. - 264с.

9. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. - изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М. - 2003. - 622с.

10. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М.: ЮНИТИ. - 2000. - 287с.

Размещено на Allbest.ru