Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Основные проблемы в современной химии

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение………………………………………………………………….……2

2.Актуальность и этапы развития химии…………………………………..2

3.Современная характеристика экологических проблем…………..……..5

4.Продовольственная проблема……………………………………….….....10

5.Химия в решении проблем обеспечения энергией………………….....13

6.Экологическая проблема и пути её решения…………………………....16

7.Заключение………………………………………………………………..…20

8.Список использованной литературы………………………………….….21

Химия — одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (Атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы (См. Молекула)), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д. И. Менделеева (1871), «химию в современном ее состоянии можно... назвать учением об элементах». Металлы составляют одну из основ цивилизации на планете Земля. Их широкое внедрение в промышленное строительство и транспорт произошло на рубеже XVIII-XIX. В это время появился первый чугунный мост, спущено на воду первое судно, корпус которого был изготовлен из стали, созданы первые железные дороги. Начало практического использования человеком железа относят к IX веку до нашей эры. Именно в этот период человечество перешло из бронзового века в век железный. В XXI веке высокие темпы развития промышленности, интенсификация

производственных процессов, повышение основных технологических параметров (температура, давление, концентрация реагирующих средств и др.) предъявляют высокие требования к надежной эксплуатации технологического оборудования и строительных конструкций. Особое место в комплексе мероприятий по обеспечению бесперебойной эксплуатации оборудования отводится надежной защите его от коррозии и применению в связи с этим высококачественных химически стойких материалов.

Необходимость осуществления мероприятий по защите от коррозии

диктуется тем обстоятельством, что потери от коррозии приносят чрезвычайно большой ущерб. По имеющимся данным, около 10% ежегодной добычи металла расходуется на покрытие безвозвратных потерь вследствие коррозии и последующего распыления. Основной ущерб от коррозии металла связан не только с потерей больших количеств металла, но и с порчей или выходом из строя самих металлических конструкций, т.к. вследствие коррозии они теряют необходимую прочность, пластичность, герметичность, тепло- и

электропроводность, отражательную способность и другие необходимые качества. К потерям, которые терпит народное хозяйство от коррозии, должны быть отнесены также громадные затраты на всякого рода защитные антикоррозионные мероприятия, ущерб от ухудшения качества выпускаемой продукции, выход из строя оборудования, аварий в производстве и так далее.

Защита от коррозии является одной из важнейших проблем, имеющей

большое значение для народного хозяйства.

Коррозия является физико-химическим процессом, защита же от коррозии

металлов – проблема химии в чистом виде.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения вопроса. Свойства вещества зависят от четырех факторов:

1.от элементного и молекулярного состава вещества;

2.от структуры молекул вещества;

3.от термодинамических и кинетических условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции;

4.от уровня химической организации вещества.

Поскольку эти способы появлялись последовательно, мы можем в истории химии выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа ее развития. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана своя концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (суб ординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом. Концептуальные системы химии можно представить следующим образом:

XVII в. — учение о составе вещества;

XIX в. — структурная химия;

XX в. — учение о химических процессах;

середина XX в. — эволюционная химия.

В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом вновь появляющаяся система опирается на предыдущую и включает ее в себя в преобразованном виде. Таким образом, появляется система химии — единая целостность всех химических знаний, которые появляются и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

Учение о составе вещества. Первый уровень химического знания. Первый действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят оттого, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие частички (атомы), которые могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения — кластеры (по терминологии Бойля). В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю химию того времени. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с вновь открытыми химическими элементами.

Концепция химического элемента появилась в химии в результате стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Р. Бойль положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое.

Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов: сформулировав понятие химического элемента, ученые еще не знали ни одного из них.

Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра. Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. английским радиохимиком Ф. Содди. Различают стабильные (устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.

С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т. д.

Концепция химических соединений. Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что — к простым телам или смесям. В начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно было представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы — атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, — могли замещаться на другие атомы.

Но дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава — бертоллиды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. Существуют ковалентные, полярные, ионные и ионно-ковалентные химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой: молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

Современная характеристика экологических проблем.

Существует такая проблема, как экологическая - один из парадоксов хозяйственной деятельности человека.

В контексте этой проблемы следует остановиться также на ассортименте и качестве выпускаемых удобрений (аммофос, аммофосфат, карбамид, аммиачная селитра и др.). Все они выпускаются в соответствии с ГОСТом, предусматривающим определённую влажность, прочность гранул, рассеиваемость, слёживаемость, содержание питательных элементов и т.д. На момент отгрузки удобрения с завода, казалось бы, действительно, всё идёт хорошо, но как только эта продукция попадает в хозяйства, оказывается, что не все товарные показатели соответствуют ГОСТу. Аммиачная селитра, карбамид, например, вместо рассыпчатых гранул приобретают форму мешка, монолита. Внести такое удобрение равномерно в почву уже не предоставляется возможным, а потому нередко на поле можно увидеть кое-как раздробленные куски этих удобрений или монолиты в форме мешков где-нибудь в системе поливочных коллекторов.

В мировой научной литературе уделено также большое внимание отходам и веществам гумусовой природы. В итоге насильственной химизацией был нанесён колоссальный ущерб окружающей среде и биосфере. Почвы на планете в результате этой акции почти полностью деградировали. Общие потери пахотных земель только за последние 50-60 лет составили на планете более 300 млн. га, а за всю историю земледелия потери превзошли всю площадь всей современной пашни. В настоящее время только в СНГ для компенсации ежегодных потерь гумуса пахотными почвами требуется минимально около 1,5 млрд. т органических удобрений, тогда как реальные ресурсы вряд ли превышают 1,0 млрд. т в год. Эти простые примеры подчёркивают актуальность проблемы и трубят о кризисной экологической ситуации на планете.

Однако, несмотря на, казалось бы, очевидную выгоду, которую можно получить, если вовлечь в сферу производства удобрений огромные запасы вторичного и некондиционного сырья, промышленные отходы и вещества гумусовой природы, в нашей стране, к сожалению, до сих пор не решён главный вопрос − немедленная или плановая их утилизация, например, для масштабного производства и применения органических и органоминеральных удобрений, ввиду чего огромные количества жидких, твёрдых и газообразных отходов, которые можно было бы использовать для этих целей, получили прописку в отвалах, статус "сырьё на свалку" и на протяжении многих десятилетий наносят огромный ущерб окружающей среде во всём мире.

Исправить создавшееся катастрофическое положение, особенно в регионах, где сконцентрирована большая промышленность, можно лишь в одном случае, если в наших странах будут приняты законы об отходах и безотходных технологиях, которые бы обязывали науку, министерства и ведомства при разработке и строительстве тех или иных предприятий в любой отрасли предусматривать обязательную утилизацию или обезвреживание отходов. Реализация выдвинутой концепции и принятие закона об отходах позволят вывести промышленные и сельскохозяйственные отрасли на совершенно новую ступень развития, при которой учёные, производственники, проектировщики, конструкторы и другие специалисты будут решать единую задачу - создание безотходного производства. Это, в свою очередь, позволит нам уберечь окружающую среду от загрязнения, неминуемые отходы превратить в сырьё и значительно повысить КПД использования природных ресурсов. Вместе с тем следует иметь в виду при этом, что прогресс, формируемый по воле и законам человека, не будет вступать в противоречие с законами природы, ибо эти законы − равновесия и гармонии − во все времена останутся самыми совершенными. Для доказательства этого и для обоснования правильности выбранного пути приведём всего лишь один пример.

Россия и другие страны СНГ, как известно, богаты своими лесными массивами. Известно также, что никому ещё не пришла в голову бредовая идея полить лес аммиаком или посыпать аммиачной селитрой и, тем не менее, лес растёт и сам себя воспроизводит. Нет смысла говорить о его пользе - это всем понятно, но, если задаться вопросом, почему и за счёт чего растёт лес, то ответ на этот вопрос можно получить, стоит лишь войти и углубиться в него. От 10-15 см до 1,5 м составляет его органический гумусовый слой, составленный из иголочек, листьев, веточек, кореньев, останков отмерших животных и т.д. Кроме того, этот органический гумусовый слой хорошо удерживает влагу.

И самое оптимальное решение – это выращивание сельскохозяйственных культур на органической гумусовой основе. Исходя из вышеизложенного, следует основательно пересмотреть существующую политику производства и применения минеральных удобрений в направлении переориентации азотно-туковой промышленности на производство органических, органоминеральных удобрений и физиологически активных препаратов.

В программе МСХ РФ до 2012 нет ни единого слова об экологии! А основной загрязнитель почвы,поверхностных и подземных вод - навозы и помёты.По данным ООН 18% парниковых газов даёт животноводство.Имеются опробированные в России в течении длительного времени технологии утилизации органики, методом вермикультивирования на открытом грунте.А совмещение биогазовых установок с вермикультивированием чревычайно выгодно и экономически.

Развитие химии носит и стратегический характер. Важное направление – получение дешевого альтернативного топлива. Не секрет, что запасы нефти и газа, основных на сегодняшний день источников энергии, уменьшаются с каждым днем. Поэтому именно на химию возложена проблема энергии будущего.

Дальнейшее развитие химии предусматривает помимо всего прочего разработку экологически безопасных аналогов для применяемых сегодня технологий, которые негативно влияют на окружающую среду.

Неоспоримо, что сегодня химия занимает значительную часть в жизни человечества, еще более очевидно, что она - наука будущего.

В наши дни, когда человеческое развитие достигло высот, такие проблемы, как экология, продовольствие, энергия заставляют задуматься о будующем.

Энергия - "двигатель" развития человечества. Поэтому проблема сырья, как основного источника энергии должна решаться в первую очередь. В основе её решения лежит рациональное использование природных ископаемых, вторичная переработка,использование побочных продуктов производства, таких как углеводороды, CO, SO2, NOx,... Эти же мероприятия будут способствовать улучшению экологической обстановки на нашей планете.

Для решения этих проблем химия объединяется с биологией, геологией, физикой, кибернетикой, и другими науками.С помощью этого объединения, во главе с химией, можно решить практически все эти проблемы.

Сегодня понятно всем, что кладовая Земли не бездонна.И если необходимые (необходимое используется, а остальное идёт в отходы !) и легко доступные (доступное сегодня !) полезные ископаемые извлекать так же, как и это делалось и в начале века, то они быстро иссякнут. Конечно, мы знаем, что ничто из ничего не возникает и не исчезает бесследно, т. е. использованные вещества, материалы, отслужив свой век, разлагаются, распадаются, но ведь химические элементы, из которых они состоят,рассеиваются в биосфере. Задача состоит в том, чтобы устранить эти потери.

Какие же пути решения сырьевой проблемы намечены на данном этапе научно- технического прогресса и в перспективе?

Для сохранения природных ресурсов у человечества в будущем есть только один выход: замкнуть цикл обмена веществ, перейдя от технологии геохимически открытой системы к технологии геохимически замкнутого цикла.

Живая природа - это "безотходное производство". Отходы какого-то вида жизнедеятельности в природе экосистеме утилизируется либо в ней самой,либо в связанных с ней системах. Лишь какое-то количество веществ (главным образом, минерализированных), для которых в данный момент нет потребления, "складируются" в виде известняка, торфа, угля, растворённых в природных водах солей и т. д., участвуя лишь в геологическом круговороте веществ.

Химизация производства по технологии замкнутого цикла позволяет использовать все вещества, изымаемые из природы, по различным направлениям.Иллюстрацией может служить один из самых старых примеров - коксохимическое производство, при котором из каменного угля получают кокс, горючий газ и другие продукты сухой перегонки. В настоящие время такая же задача ставится в отношении переработки других видов сырья, например леса.

Нефть из Северного моря давно является сырьём для промышленности европейских стран.Ведутся разработки шельфов Северной Америки. Сейчас начата добыча серы со дна Мексиканского залива.В России работают старейшие шельфовые месторождения нефти и газа на Каспии.

В рамках общей задачи освоения и рационального использования Мирового океана химики ведут поиски путей извлечения из морской воды ценных элементов.Общие запасы некоторых из них в океане оцениваются следующими значениями (в т): фтора - 2*1012,иода -93*109, цинка - 16*109, олова,свинца,ртути - 50*106,золота - 6*106.

Поверхностные залежи полезных ископаемых стремительно вырабатываются, угольные комбайны всё глубже и глубже вгрызаются в пласты, бурение в поисках нефти и газа ведётся уже на отметке 15 км. Современные шахты Донбасса имеют глубину 800 - 1500 м.

В содружестве с химией и другими науками развивается новая отрасль знаний о методах и средствах бесшахтной добычи сырья и о создании искусственных месторождений - геотехнология.В чём же её новизна? К подземному пласту, содержащему, например, уран, цинк, или другие металлы, через пробуренную скважину подводится химический растворитель или окислитель. Под землёй происходит химико-физический процесс растворения, и насыщенная ценными компонентами жидкость выкачивается на поверхность, где и перерабатывается химическими методами.Такой способ подземного выщелачивания позволяет резко увеличить эффективность эксплуатации минеральных ресурсов.

Современная наука считает весьма перспективным применение микроорганизмов.Новая отрасль - биометаллургия - базируется на закономерностях биохимических процессов. При этом не требуется сложное оборудование, столь необходимое для пирометаллургии, расходуется меньше энергии. Метод использования микроорганизмов давно уже применяется в России, США, Канаде, Австралии для восстановления серебра, меди, никеля,свинца, урана и цинка.

Микроорганизмы с немалым успехом трудятся и в горнодобывающей промышленности, косвенно помогая ускорить и обезопасить подземные выработки угля. Накапливающийся газ метан в угольных шахтах, смешиваясь с воздухом, образует взрывоопасную смесь. На вентиляцию забоев расходуется огромное количество электроэнергии. Но не всегда даже мощные установки успевают удалить опасные скопления метана. Теперь на некоторых шахтах через пробуренные скважины в забои к пластам угля подводят метаноокисляющие бактерии в виде заранее приготовленной суспензии. Бактерии поглощают до 60% метана, освобождают от него пласт ещё до начала его разработки.

Химики создают новые материал, основываясь на знаниях физико-химических свойств природных вещесттв и геохимических закономерностей их образования и строения.

Нарастает дефицит углеводородного сырья, а поэтому проблема использования нефти, угля и газаа в качестве сырья ,а не топлива имеет сегодня первостепенную задачу. Современному человеку трудно представить, что почти

200 лет тому назад нефть использовали лишь как смазку для колёс повозок, как лекарство и горючие для светильников. Потребление нефти сегодня составляет более 4 млрд.т, а в 2000г. будет потреблятся 6-7 млрд. т.

Нефтеперерабатывающие предприятия производят непредельные и ароматические углеводороды (этилен, толуол, ксилол) и газовые смеси оксида углерода (II) с водородом. Из них синтезируют десятки тысяч других полезных материалов.

Из природного газа получают ацетилен, муравьиный альдегид, метанол, сажу, сероуглерод, водород, синильную кислоту и др. Уголь служит источником органических веществ. Возможно,что в дальнейшем все углеводородное сырьё пойдёт на синтез разнообразных материалов. Топливом же будет служить ядерное горючее или какой-либо другой вид топлива.Это одно из решений сырьевой и энергетической проблем.

Продовольственная проблема.

Население нашей планеты растёт. По прогнозам ООН к 2000г. оно составит около 6,5 млрд. человек и будет, естественно, увеличиваться в последующие десятилетия. Это значит, что уже сейчас необходимо задуматься над тем, как обеспечить население Земли питанием в предвидимом будущем.Расчёты учёных приводят к выводу, что проблема будет решена, если за ближайшие 40 - 50 лет мировое производство продуктов питания возрастёт в 3 - 4 раза.Подобный прирост может быть осуществлён только в том случае, если произойдёт "зелёная революция" - резкий подъём сельского хозяйства, прежде всего в развивающихся странах, на базе внедрения всех достижений современной науки, в том числе химии.

Есть ли основания верить в возможность такой "зелёной революции"? Учёные отвечают на этот вопрос определённо: да,можно. Модернизированное сельское хозяйство с помощью своих могучих союзниц - химии и биологии - без труда может прокормить более 6,5 млрд. человек.

В решении продовольственной проблемы в глобальном масштабе основной акцент делается на увеличение производства растительной и животной пищи естественного происхождения. Увеличение же объёма производства пищи естественного производства, по мнению специалистов, будет в ближайшем будующем достигаться за счёт создания благоприятных условий для размножения и роста растений и животных. Сюда относится в первую очередь применение удобрений, а затем стимуляторов роста, искусственных кормов для сельскохозяйственных животных, средств защиты растений и животных, введение в практику питания новых продуктов, добытых в океане, и т. д.

Начнём с удобрений.Без них немыслимо современное сельское хозяйство.

Один из главных элементов вводимых в почву в составе минеральных удобрений- азот. Если водород, кислород, углерод доставляются растениям с водой и углекислым газам, то азот, без которого невозможен синтез аминокислот и, следовательно, белка, поступает в растения через корневую сиёстему в виде нитратов и иона аммония, которых обычно в почве не хватает. Поэтому производство азотных удобрений - это одна из мощнейших отраслей химической промышленности сегодняшнего дня.Большую их часть получают из аммиака, который в свою очередь синтезируют из водорода и азота.

Пока, однако, сельскому хозяйству требуются огромные количества азотных удобрений: аммиака и производимых из него сульфата, карбоната и нитрата аммония, а также мочевины.Аммиак - это самое концентрированное азотное удобрение (содержит более 80% азота). В настоящие время он является одним из главных продуктов большой химии. В 1980 г.во всём мире было полученно 100 млн. т азота в виде аммиака. По содержанию азота следующим за аммиаком удобрением является мочевина (NH2)2CO.Исходными веществами для её синтеза являются аммиак и углекислый газ.Последний представляет собой побочный продукт при конверсии метана из водяного газа.Поэтому современное производство аммиака и мочевины комплексное, на "входе" которого - метан, азот и кослород атмосферы, а так же вода, а на "выходе" - аммиак и мочевина.В настоящие время 85 - 90% всей получаемой в мире мочевины идёт на производство удобрений.

В ближайшие десятилетия должен произойти не только резкий количественный рост, но и качественные изменения в характере производимых удобрений.

Большие потери урожая связанны с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений. Гибнет примерно одна треть урожая. Если отказаться от применения химических средств защиты растений, то эта доля удвоится.Для 3 тыс. видов культурных растений известно около 30 тыс. возбудителей болезней! Из них более 25 тыс. - грибы,около 600 – нематоды (черви),более 200 - бактерии, около 300 - вирусы.

В результате заболеваний растений люди теряют 10 - 15% урожая ещё до того, как он собран. Совместное же воздействие болезней, вредителей и сорняков отнимают от урожая от 25 до 40%. Цифра не малая, но и это ещё не всё. От 5 до 25% продукции сельского хозяйства теряется пр перевозке и хранении. В результате суммарные потери урожая, до того как он попадёт к потребителю, составляют в разных странах около 40 до 50%.Есть над чем призадуматься специалистам по борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур. С 1947 по 1980 г. потребление пестицидов1 в разных странах возросло в 10 - 20 раз.

Отказаться от пестицидов сейчас невозможно. Более того их применение постоянно растёт. Но использовать пестициды, как и другие токсичные вещества, да ещё столь распространённые, следует очень осторожно: с водой и пищей они могут попасть в организм человека и о том, что некоторые из них накапливаются в организме, а это увеличивает их токсическое действие. Их рассеивание в природе может оказывать отрицательное действие на природные экосистемы. И это ставит перед химиками сложные задачи. Первая из них - разработка методов контроля содержания пестицидов в пище. Вторая задача - усовершенствование пестицидов. Практика требует от химиков создания таких пестицидов, которые не вымывались бы с полей в реки и другие природные экосистемы, вообще не оказывали бы вредного воздействия на окружающую среду. Кроме насекомых, значительную часть урожая уничтожают или портят бактерии, вирусы, грибы. Работа по созданию современных химических средств защиты от них ещё только развёртывается, это дело будущего.Здесь предоставляют прекрасные возможности для творческой деятельности химиков.