Тема: Роль хімії у розв'язанні сировинної, продовольчої, енергетичної таекологічної проблем

1. Введення.
У наші дні, коли людський розвиток досягло висот, такі проблеми,як екологія, продовольство, енергія змушують замислитися про майбутньому.
Як мені здається, ця тема найбільш актуальна зараз і тому я вибравїї.
Енергія - "двигун" розвитку людства. Тому проблема сировини, якосновного джерела енергії повинна вирішуватися в першу чергу. В основі їїрішення лежить раціональне використання природних копалин, вториннапереробка, використання побічних продуктів виробництва, таких яквуглеводні, CO, SO2, NOx, ... Ці ж заходи, на мій погляд, будутьсприяти поліпшенню екологічної обстановки на нашій планеті.
Для вирішення цих проблем хімія об'єднується з біологією, геологією,фізикою, кібернетикою, та іншими наукамі.С допомогою цього об'єднання, учолі з хімією, можна вирішити, на мій погляд, практично всі ці проблеми.
Почну, як я вже говорив, з самої важливої проблеми - проблеми сировини.

2.Хімія у вирішенні сировинної проблеми.
З початку XVI ст. з надр Землі було вилучено 50 млрд.т вуглецю, 2 млрд.тзаліза, 20 млн т міді, 20 тис. т золота.За останні 30 років кольорових ірідкісних металів видобуто більше, ніж за всю попередню історію.
Перетворення сировини у більш цінні хімічні речовини, створення з нихматеріалів, потрібних людині, є головною метою будь-якого хімічноговиробництва. Потреба в них подвоюється кожні 11 лет.Переработка сировинихімічними засобами потребує від 10 до 20 млрд. т на рік основногоокислювача - кисню, крім того, 2.5 млрд. т вугілля як палива і стількиж нафти. З цих прикладів видно, яких масштабів досягло споживаннясировини промисловими підприємствами.
Сьогодні зрозуміло всім, що комора Землі не бездонна.І якщо необхідні
(необхідне використовується, а решта йде у відходи!) і легко доступні
(доступне сьогодні!) корисні копалини витягати так само, як і церобилося і на початку століття, то вони швидко вичерпаються. Звичайно, ми знаємо, щоніщо з нічого не виникає і не зникає безслідно, тобто використаніречовини, матеріали, відслуживши свій вік, розкладаються, розпадаються, але жхімічні елементи, з яких вони складаються, розсіюються в біосфері. Завданняполягають у тому, щоб усунути ці втрати.
Які ж шляхи вирішення сировинної проблеми намічені на даному етапі науково -технічного прогресу і в перспективі?
Для збереження природних ресурсів у людства в майбутньому є тількиодин вихід: замкнути цикл обміну речовин, перейшовши від технологіїгеохімічних відкритої системи до технології геохімічних замкнутого циклу.
Жива природа - це "безвідходне виробництво". Відходи якогось видужиттєдіяльності в природі екосистемі утилізується або в ній самій, абов пов'язаних з нею системах. Лише якась кількість речовин (головнимчином, мінералізованих), для яких в даний момент немає споживання,
"складуються" у вигляді вапняку, торфу, вугілля, розчинених у природнихводах солей і т. д.,беручи участь лише в геологічному кругообігу речовин.

Хімізація виробництва за технологією замкнутого циклу дозволяєвикористовувати всі речовини, що вилучаються з природи, за різниминаправленіям.Іллюстраціей може служити одна з найстаріших прикладів --коксохімічне виробництво, при якому з кам'яного вугілля отримують кокс,горючий газ і інші продукти сухої перегонки. ет одні основні джерела енергії змінювалися іншими:дерево замінили на вугілля, вугілля - на нафту, нафта - на газ, вуглеводневупаливо - на ядерна. До початку 80-х років у світі близько 70% потреби венергії удволетворялось за рахунок нафти і природного газу, 25% - кам'яного ібурого вугілля і лише близько 5% - інших джерел енергії.

Зараз найбільшими споживачами органічного палива єпромисловість і теплові електростанції. З усього використовуваного паливаблизько 20% йде на виробництво електроенергії, 30% - на отримання такзваної низькопотенційне теплоти (опалення приміщень, гаряча вода іт.д.), 30% - на автономний транспорт (авіація, морський та автотранспорт).
Близько 20% палива споживає хімічна та металургійна промисловість.
У вік науково-технічного прогресу проблема браку енергетичнихресурсів особливо загострилася, тому що зростаюча техніка вимагає все більшеі більше "харчування" у вигляді електроенергії, органічного палива та ін Алекому ж вирішувати цю проблему як не самому НТП. І для цього є всі данісьогодні і в перспективі.
Оскільки серед видів пального найбільш дефіцитним є рідке, убагатьох країнах виділені великі засоби для створення рентабельноїтехнології переробки вугілля в рідке (а також газоподібне) паливо. У ційобласті співпрацюють вчені Росії та Німеччини. Суть сучасного процесупереробки вугілля в синтез-газ полягає в наступному. У плазмовийгенератор подається суміш водяної пари і кисню, що розігріваєтьсядо 3000оС. А потім у розпечений газовий смолоскип надходить вугільний пил, і врезультаті хімічної реакції утвориться суміш оксиду вуглецю (II) таводню, тобто синтез-газ. З нього одержують метанол: CO +2 H2? СH3OH.
Метанол може замінити бензин в двигунах внутрішнього згоряння. У планівирішення екологічної проблеми він вигідно відрізняється від нафти, газу, вугілля,але, на жаль, теплота його скоранія в 2 рази нижче, ніж у бензину, і,крім того, він агресивний по відношенню до деяких металів, пластичниммасам.
Історія розвитку нафтової індустрії коротше, ніж вугільній. Хоча нафтувикористовувалася з античних часів для освітлення і як паливо, нестримнітемпи зростання її видобутку та використання тісно пов'язані зі створенням авто-іавіатранспорту. Починаючи з 1854 простий перегонкою нафти стали одержуватигас. Низькокиплячі фракції не іспользовалісяь. У 1913 р. американець У.
Бартон розробив термічний крекінг-процес, який дав можливість нетільки виробляти до 50% бензину з нафти, але й здійснюватигідрогенізації ненасичених вуглеводнів, що утворюються під час крекінгу.
Наприклад, у 1928 р. по крекінг-процесу з 195 млн. м3 нафти було отримання
62 млн. м3 бензину, 18 млн. м3 гасу, 7 мільйонів. М 3 мастил,решта - газойль, мазут, парафін, асфальт та ін
А чи не можна замінити бензин газом? Вперше ісседованія із застосуваннястисненого природного газу в транспорті велися в 30-х роках, а в 50-х надорогах тільки нашої країни було 20000 автомобілів, що працюють на такомупальному. , Що з'явився дешевий бензин виявився поза конкуренцією. Але у зв'язку зпідвищення цін на нефтіпродукти вчені знову звернулися до стаим проектам:бензин можна замінити зрідженої пропан-бутанової сумішшю, яку зберігають призвичайній температурі. Вона дешевше бензину, менш токсична, продовжує термінслужби двигуна. Але вся біда в тому, що природні запаси газу такожнебезмежні, як і нафти.
В "таємничому острові", опублікованому в 1874 р., Жуль Верн говорить проте, що вугілля та інші копалини будуть замінені новим паливом - водою,що складається з водню і кисню, які і стануть невичерпнимиджерелами теплоти і світла. Виявив горючість водню Я.ван Гельмонт.
Ця властивість робить водень основним претендентом на звання паливамайбутнього. При його згорянні в чистому кисні досягається температура до
2800оС. Таке полум'я легко плавить кварц і більшість металів. Теплотазгоряння водню в кисні дорівнює 142650 кдж/кг.

Хімічне виробництво зараз основний постачальник водню, алебезперспективний, оскільки ціна сировини, а їм частіше за все євуглеводні, невблаганно зростає. Електроліз найбільш прямий метод отриманнячистого водню. Конкурентноздатність електролізу визначається наявністюдешевої електроенергії. Існує ще безліч розроблених технічнихпропозицій отримання водню, але найбільші надії покладаються наенергію ядерних електростанцій.

Якщо порівняти енергію, отриману хімічним шляхом, з енергією,отриманої від еквівалентніго кількості речовини в ході ланцюгових реакційрозподілу важких елементів (плутонію, урану). Енергія згорання 1 г деревинидостатня для того, щоб електрична лампочка в 100 Вт горіла 1 хв, аенергії згоряння 1 г вугілля вистачить для двох таких лампочок. Для освітлення впротягом години міста з 60 000 жителів вистачить енергії 1г урану-235. Енергія,полягає в 1 г важкого водню - компонента палива реакціїтермоядерного синтезу, у 7,5 рази більше, ніж в 1 г урану-235. На рікроботи АЕС потужністю 1 млн.кВт необхідно 30 - 50 т уранового палива, адля теплоелектростанції такої ж потужності потрібно 1,6 млн.т мазуту або
2,5 млн.т вугілля.

Зараз ядерна енергетика розвивається по шляху широкого впровадженняреакторів на швидких нейтронах. У таких реакторах використовується уран,збагачений ізотопом 235U (не менш ніж на 20%), а сповільнювача нейтронівне потрібно. Ядерна реакція - ділення 235U - вивільняє нейтрони,які вступають у реакцію з 238U:

238U + 1n? 239U +?

92 0 92
Ізотоп урану, що є продуктом цієї реакції, швидко розпадається
(Т 1/2 = 23 с), перетворюючись в ізотоп нептунія (Т 1/2 = 50 г), а той, у своючергу, в ізотоп плутонію:

239 239 0 -

92U? 93 Np + 1 e

239 239 0 -

93Np? 94Pu + 1e
239Pu набагато більш стабільний ізотоп, ніж два його попередника. Його,як і деякі інші ізотопи плутонію, що утворюються в реакторі, можнавикористовувати як ядерного пального, у тому числі в реакторах нашвидких нейтронах.
В даний час ядерна енергетика і реакторобудування - це потужнаіндустрія з великим обсягом капіталовкладень. Для багатьох країн вона важливастаття експорту. Для реакторів і допоміжного обладнання потрібніособливі матеріали, в тому числі високої частоти. Задача хіміків, металургівта інших спеціалістів - створення таких матеріалів. Над збагаченням уранутеж працюють хіміки і представники інших суміжних професій.
Зараз перед атомною енергетикою стоїть завдання витіснити органічнепаливо не тільки зі сфери виробництва електроенергії, але так само зтеплопостачання і в якійсь мірі з металургійної та хімічноїпромисловості шляхом створення реакторів енерготехнологічного значення.
АЕС у перспективі знайдуть ще одне застосування - для виробництва водню.
Частина отриманого водню будуть споживаючи хімічною промисловістю,інша частина послужить для живлення газотурбінних установок, що включаються припікових навантаженнях.
Найважливіший відтворений джерело енергії на планеті - енергія Сонця.
Роль хіміків в освоєнні цієї енергії - це і створення матеріалів длясонячних батарей і перетворювачів, і розробка способів консерваціїенергії, у тому числі термохімічних способів її накопичення у вигляді пальногоз високою калорійністю, наприклад водню, а також розробка сольовихсистем - накопичувачів енергії.

Ядерна та сонячна енергетика тісно змикаються з водневої енергетикою,під якою розуміють використання водневого пального, наприклад нетранспорті.

Поряд з гігантськими електростанціями існують і автономні хімічніджерела струму, що перетворюють енергію хімічних реакцій безпосередньо велектричну. У вирішенні цього питання хімії належить головна роль. У
1780 італійський лікар Л. Гальвані, спостерігаючи скорочення відрізаною лапкижаби після дотику до неї тяганиною з різних металів, вирішив,що в м'язах є електрика, і назвав його "твариноюелектрічестволм ". А. Вольта, продовжуючи досвід свого співвітчизника,припустив, що джерелом електроенергії є не тіло тварини:електричний струм виникає від зіткнення різних металевихзволікань. "Предком" сучасних гальванічних елементів можна вважати
"електричний стовп", створений А. Вольта в 1800 р. Цей винахід схожена листковий пиріг з декількох пар металевих пластин: одна пластина зцинку, другий - з міді, покладені один на одного, а між ними поміщенаповстяна прокладка, просочена розведеної сірчаною кислотою. Довинаходи в Німеччині В. Сіменсом в 1867р. динамо-машини гальванічніелементи були єдиним джерелом електричного струму. У наші дні,коли автономні джерела енергії знадобилися авіації, підводного флоту,ракетної техніки, електроніки, увагу вчених знову звернена до них.
Я розповів далеко не про всіх напрямках вирішення енергетичної проблемивченими світу, а тільки про основні. У кожній країні вона має своїособливості: соціально-економічні та географічні умови,забезпеченість природними багатствами, рівень розвитку науки і техніки.

5. Екологічна проблема та шляхи її вирішення.
Науково-технічний прогрес, що дає людині багато благ, одночасноробить і негативний вплив на навколишню природу. У результатіспалювання палива й інших промислових процесів за останні 100 років ватмосферу виділено близько 400 млрд. т оксиду вуглецю (IV); його концентраціяв атмосфері зросла на 18%. За рік в атмосферу викидається понад 200млн.т оксиду вуглецю (II), більше 50 млн.т оксидів азоту. Один лишеавіалайнер за 8 годин польоту споживає 50 - 70 т кисню, тобто токількість, яка виробляє за той же час 25 -50 тис. га лісу. Якщовміст оксиду вуглецю (IV) в атмосфері подвоїться, то за рахунок
"парникового ефекту" середня температура земної поверхні підвищиться на
4оС.
У промислово розвинених країн на одного жителя щорічно в атмосферупотрапляє до 150 -200 кг пилу, золи та інших промислових викидів. За добупромисловість світу скидає більш 100 млн. м3 стічних вод.

Потужним джерелом забруднення атмосфери є всі види транспорту,працюють на теплових двигунах. Викидаються ними речовини в ціломуідентичні газоподібним відходів промислового походження. З вихлопнимигазами автомобілів у повітря потрапляють оксиди вуглецю, азоту, сірки,альдегіди, незгорілі вуглеводні, а також продукти, що містять хлор,бор, фосфор і свинець. Забруднюють атмосферу дизельні двигуниавтомобільного, водного та залізничного транспорту.
У великих містах - Лондоні, Лос-Анжелесі, Чикаго, Токіо, Мілані та інших
- Буває густий туман, зміг, токсичний від наявності в ньому отруйних вихлопнихавтомобільних газів. Смог з'являється в наслідок фотохімічних реакційоксидів азоту, незгорілих вуглеводнів з озоном. h?

NO2 + O2? O3 + NO.

У забруднення атмосфери вносить чималий вклад повітряний транспорт.
Двигуни літаків викидають альдегіди, 3,4-бензпірен, бензол і йогогомологи.
Шкідливий вплив на гідросферу надають продукти нефтіхіміческіхпідприємств, сира нафта, що перевозяться танкерами. Дослідження
Атлантичного океану і шельфових вод Європи і Північної Америки показують,що рівень забруднення у відкритому океані в 2 - 3 рази менше, ніж уприбережних водах, де плівка з нафти тримається більш тривалий час.
1 т нафти здатна покрити тонкою плівкою поверхню водного масивуплощею 1200га.

Крім того, у різних галузях промисловості використовується величезнекількість нових з'єднань, яких немає в природі. Щорічно їхсинтезується в світі більше 250 тис., з них близько 300 знаходять промисловезастосування і можуть потрапити в навколишнє середовище. За даними Всесвітньоїорганізації охорони здоров'я, серед хімічних сполук, що використовуються впромисловому масштабі, приблизно 40 тис. шкідливі для людини. Процесзабруднення навколишнього середовища не властивою їй речовинами, раніше носивлокальний характер, останнім часом прийняв глобальних масштабів. Особливозабруднення середовища такими невластивими біосфері елементами, як свинець,ртуть, кадмій. Потужність техногенного впливу на живу природу досяглатакої величини, що виникла небезпека незворотних змін за рахунокпорушення складалася протягом мільйонів років природних динамічнихрівноваг. Навіть забруднення середовища такими характерними для природнихкругообігів речовинами, як нітрати, солі амонію, фосфати, досягла назначних ділянках земної поверхні концентрацій, при якихприродні механізми виявляються недостатніми для плавного включення цихречовин в круговорот. У результаті, наприклад, у багатьох великих водоймахземної кулі відбулося різка зміна в екосистемах, що призвело довеликим збіднення видами живих організмів.

Який же вихід бачить наука, зокрема хімія, з існуючогоекологічної кризи? Адже хімізація промислового та сільського господарстване означає руйнування всього живого, а, навпаки, пропонує шляхи вирішенняпроблем современності.Прежде за все це створення технологій, за якимибільша частина природних ресурсів, що втягуються в господарський оборот,повинна буде перетворюватися в корисну продукцію. Ту частину, яку насучасному рівні розвитку науки і техніки не можна використовувати, необхіднознешкодити. Вже сьогодні промислові об'єкти мають очисні спорудидля стічних вод, газо-і пилоуловлювальні пристрої, впроваджуються замкнутісистеми водопостачання, маловідходні технологічні системи.
Для очищення повітря і рідин від шкідливих домішок хіміки-технологизастосовують абсорбційні, адсорбційні та каталітичні методи.Пріабсорбації шкідливих речовин відбувається їх розчинення у всьому обсязіпоглинача або хімічна взаємодія в абсорбаціонной рідини (частішевсього у воді) з реагентом. Процес адсорбаціі заснований на здатностідеяких дрібнопористі речовин (вугілля, силікагель) поглинати розчиненіабо газоподібні речовини своєї поверхностью.Напрімер, якщо в камеру, деутворюється небажаний оксид сірки (IV), ввести вапняк, негашеневапно або доломіт CaCO3? MgCO3, то відбудеться реакція:

2CaO 2 SO2 + O2 = 2CaSO4

Cульфат кальцію знаходить застосування у сірчанокислотному виробництві табудівництві.
Вапняк, а вірніше, розчин карбонату кальцію для уловлювання оксидусірки (IV) застосовується на ТЕС. На жаль, це не вирішує екологічноїпроблеми повністю, так як утворюються відходи у вигляді сульфіту кальцію,що йде просто у відвал. Крім того, витрати на будівництвосероулавлівающіх установок нині діючих ТЕС складають 50% вартостівсій станції.

Велика увага хіміки-технологи приділяють виробництву таких новиххімічних засобів захисту рослин, які повністю розкладаються протягомдекількох тижнів, а то й годин після їх внесення на поля. Синтетичнімиючі засоби, що виробляються в нашій країні, в стічних водах руйнуютьсябіологічним шляхом до нешкідливих продуктів.
Екологічної хімією розробляються окремі промислові виробництваза схемою біоценозів, в яких види живих організмів пов'язані між собоютак, що не відбувається "випадання" з кругообігу хімічних елементів аборечовин: відходи одного підприємства служать сировиною для іншого. Створюютьсясистеми комплексного виробництва шляхом територіального та функціональногооб'єднання виробництв, що використовують різні боки використовуваної сировини.

У вирішенні екологічної проблеми хіміки працюють у тісномуспівробітництво з біології, фізики, географи, застосовуючи математичнемоделювання та кібернетику.

5.1. Екологічна обстановка Ростовської області.

Розглянемо екологічну обстановку нашого міста і області.
За даними спостережень за загрзненіем атмосферного повітря, що проводятьсяцентром з гідрометеорології та моніторингу навколишнього середовища
Севкавгідромета, в деяких містах області рівень забрудненняатмосферного повітря значним є й по багатьох речовин перевищує граничнодопустимі норми.
З 87 повітряно-охоронних заходів, передбачених до виконання у 1996р., обласної екологічної програмою виконано в повному обсязі 36заходів, в стадії виконання 19, по 32 заходам роботи непроводилися через відсутність фінансування.

На будівництво і реконструкцію газопилоочистного установок (ГОУ),газифікацію ТЕЦ, ГРЕС, котелень було витрачено 20,7 млрд.руб.
Виконання заходів дозволить скоротити викиди в атмосферу на 9,97тис. тонн. Спад виробництва на багатьох підприємствах призвів до зменшеннявикидів на 48,7 тис. тонн.

Рівень забрудненняня атмосферного повітря оцінюється як дуже високийі формується, в першу чергу, під впливом великих концентраційформальдегіду, бенз (а) пірену, пилу та сажі. У місті основним забруднювачематмосферного повітря є автотранспорт, викиди якого складають
88,2% від загального об'ема.Вследствіе цього в районах, де знаходяться магістраліз інтенсивним рухом автотранспорту, відзначаються підвищене забрудненняповітря оксидами азоту, вуглецю, вуглеводнями. Викиди від автотранспортузбільшилися в порівнянні з 1995 роком на 16,573 тис тонн у зв'язку ззбільшенням кількості автомобілів майже на 30000 одиниць. Найбільшзабрудненими залишається центральний район міста на перетині транспортнихавтомагістралей (вул. Червоноармійської та пр. Будьоннівського, пр. Театральногоі вул. М. Горького).

У 1996 році електростанціями Ростовської області вироблено 20,506млрд. кВтг, що на 13% менше, ніж у 1995 році, теплової енергії 5645,9тис. Гкал. Від усіх підприємств цієї галузі в атмосферне повітря надійшло
230,421 тис тонн різних забруднюючих речовин (зола, діоксид сірки, оксидиазоту та ін.)

Забруднення атмосферного повітря галузями народного господарства.
У 1996 році на обох підприємствах чорної металургії: АТ "Сулинськийметалургійний завод "та АТ" Таганрозький металургійний завод "триває спад виробництва під впливом економічної кризи. Заминулий рік цими двома об'єднаннями викинуто в атмосферу 11,3 тис тонншкідливих речовин. Заходи щодо зниження викидів забруднюючих речовин,передбачених обласної екологічної програмою, виконуються повільно черезчерез важке фінансове становище.

В області одне підприємство кольорової металургії, АТ "Новочеркаськийелектродний завод ". Загальний викид забруднюючих речовин в атмосферу в 1996році склав 6,34 тис. тонн, що на 1,87 тис тонн більше, ніж у 1994 році.

Представниками хімічної та нафтохімічної промисловості в областіє шість підприємств. Основні забруднювачі: АТ "Волгодонськийхімічний завод ", АТ" Емпілс ", Новочеркаський завод синтетичнихпродуктів і Кам'янське АТ "Хімволокно". Загальний викид забруднюючих речовинв 1996 році склав 2,37 тис. тонн. У порівнянні з 1994 роком викидизменшилися на 2,7 тис. тонн, в основному, за рахунок скорочення виробництва.
У 1996 році на території області видобуток вугілля становив 18 млн. тонн ів порівнянні з 1994 роком зменшилася на 1,48 млн. тонн (8%). Основнимизабруднювачами атмосферного повітря у вуглевидобувних районах: шахти,збагачувальні фабрики, заводи вугільного машинобудування, а такожобслуговують автотранспортні підприємства АТ "Ростовуголь".

Основними джерелами забруднення атмосфери на машинобудівнихпідприємствах є: ливарне виробництво, зварювальні і фарбувальні цехи,цеху механічної і термічної обробки. У 1996 році викиди шкідливихречовин від підприємств машинобудування склали 5,727 тис. тонн, упорівняно з 1994 роком зменшилися на 2,544 тис. тонн (44,4%). Найбільшпоширені забруднюючі речовини, характерні для машинобудівнихзаводів: тверд