ПМ-18 Хімія
Виконані завдання надіслати на електронну пошту
08.05.2020
Лекція (2 год.)
Тема 5.2. Значення хімії в розв᾽язанні енергетичної проблеми.
Хімія і довкілля.
Опрацювати: Хімія 11 клас (за посиланням «Підручники»), с.213-222, §§ 35-36, лекційний матеріал.
Виконати (письмово):
1. Чому, на ваш погляд, вважають, що майбутнє — за електромобілями?
2. Нерідко можна почути про забруднення водойм «важкими металами». Як ви розумієте такий вираз? Які частинки забруднюють воду?
3. Перед утилізацією побутових відходів зазвичай здійснюють їх сортування. На які групи відходів необхідно розсортувати сміття? Чому?
4. Назвіть кілька шкідливих речовин, які потрапляють в атмосферу із працюючого двигуна автомобіля.
5. Напишіть:
а) структурні формули сполук, що виділені в тексті лекції червоним кольором;
б) загальні формули класів органічних сполук, що виділені в тексті лекції синім кольором;
в) молекулярні формули речовин, що виділені в тексті лекції зеленим кольором.
6. У чому полягає процес добування заліза взаємодією залізної руди з воднем? Чи можна його вважати прикладом впровадження принципів «зеленої» хімії?
7. За матеріалами з інтернету підготуйте коротке повідомлення про кілька органічних розчинників, найуживаніших у хімічній промисловості, та їх вплив на організм людини.
8. У позаминулому столітті водень добували в промисловості, пропускаючи водяну пару над розжареним залізним брухтом. Серед сучасних методів промислового добування водню — розклад природного газу за високої температури на прості речовини, розклад води за дії постійного електричного струму. Напишіть хімічні рівняння відповідних реакцій. Назвіть переваги і недоліки кожного методу з погляду «зеленої» хімії.
Хімія в розв’язанні енергетичної проблеми.
Існуючі види палива за агрегатним станом поділяють на: тверді, рідкі, газоподібні.
Види палива
|
Природне
|
Штучне
|
Тверде
|
Дрова, кам’яне вугілля, торф, антрацит
|
Деревне вугілля, кокс
|
Рідке
|
Нафта
|
Бензин, гас, мазут, смола
|
Газоподібне
|
Природний газ
|
Генераторний газ (добувають при газифікації різних видів твердого палива), коксовий та доменний гази
|
Природні види палива — кам’яне вугілля, включаючи паливні продукти, буре вугілля (лігніт), сланці горючі, торф паливний, дрова опалювальні, деревинні відходи лісозаготівлі, деревинні відходи деревообробки, відходи сільськогосподарського виробництва (солома, качани та стебла кукурудзи, лушпиння соняшникове та рисове тощо), інші види первинного твердого палива, нафта, природний газ, до якого входить шахтний метан.
Серед штучних видів палива особливе значення має рідке й газоподібне паливо. Штучне газоподібне паливо виходить шляхом газифікації палива в газогенераторах або як побічний продукт при інших процесах, наприклад, при коксуванні – коксовий газ, в доменному процесі – доменний газ.
Останнім часом набуває поширення вид твердого штучного палива – паливні брикети. Вони можуть виготовлятися з відходів деревообробних цехів, пилорам та лісового господарства, шляхом пресування відходів. Кожне паливо при горінні виділяє різну кількість тепла. Кількість тепла (калорій), яке виділяється при повному згорянні 1 кг твердого чи рідкого палива або при згорянні 1 м3 газоподібного, називають теплотворною здатністю. Для мазута теплотворна здатність біля 10000 ккал/кг, для якісного кам’яного вугілля — 7000 ккал/кг і т. д. Чим вища теплотворна здатність, тим якість палива краща. Для порівняння теплотворної цінності палива використовують одиницю, яку назвали умовним паливом. У якості такої одиниці прийнято паливо, теплотворна здатність якого 7000 ккал/кг.
Паливо
|
Теплотворна здатність
|
Буре вугілля
|
2500-5000 ккал/кг
|
Природний газ
|
8000-8500 ккал/м3 до 15000 ккал/м3
|
Кокс
|
5600-7000 ккал/кг
|
Деревне вугілля
|
7000-8000 ккал/кг
|
Коксовий газ
|
4000 до 5000 ккал/м3
|
Паливні брикети
|
2500-4400 ккал/кг
|
Буре вугілля має значно меншу теплотворну здатність від кам’яного, високий вміст сірки, значну зольність. Воно придатне для брикетування, напівкоксування і газифікації. Крім того, з бурого вугілля можна одержати штучний гірський віск. В основному буре вугілля використовується на місцевих електростанціях та інших підприємствах як паливо.
Характерною ознакою прогресу людства є розвиток атомної енергетики. Добувати уран із руди, виробляти паливо для ядерних реакторів, переробляти радіоактивні відходи допомагає наука хімія.
У промисловості, техніці, транспортни засобах, повсякденному житті широко застосовують акумулятори, гальванічні та паливні елементи. Їх роботу забезпечують окисно-відновні реакції. Учені розробляють ефективні хімічні джерела струму, які не містять сполук Плюмбуму, Кадмію, інших токсичних речовин.
Сонячні промені — невичерпне джерело енергії. Використовувати їх допомагають сполуки, які перетворюють енергію світла на електричну. Науковці ведуть постійний пошук таких речовин, розробляють методи їх добування.
Із новітніх розробок – заміна традиційного пального на найбільш екологічне водневе паливо, при згорянні якого утворюється тільки вода без шкідливих викидів. В Німеччині розпочав пасажирські перевезення перший у світі «водневий» потяг. Нові поїзди з низьким рівнем шуму і нульовим рівнем викидів вуглекислого газу здатні розвивати швидкість до 140 км/год.
Хімічне забруднення довкілля. До середини ХІХ ст. у навколишнє середовище потрапляла невелика кількість техногенних забруднень. Природа, як гігантська хімічна лабораторія, встигала розкладати шкідливі речовини і відновлювала екологічну рівновагу. Пізніше негативний вплив людини на довкілля став швидко зростати. Збільшувалось забруднення повітря, гідросфери, поверхні Землі, зникло багато видів рослин і тварин.
Нині вчені вважають, що прийшов час «лікувати» нашу планету. Вони закликають змінити споживацьке ставлення до її ресурсів, берегти природу, її багатства для наступних поколінь.
На уроках хімії ви вже обговорювали екологічні проблеми, пов’язані з викидами в довкілля шкідливих речовин промисловими підприємствами, автотранспортом, теплоелектростанціями. Вам відомі такі атмосферні явища, як смог і кислотні дощі. Вони значною мірою зумовлені підвищеним вмістом газів СО, SO2, NO, NO2 в повітрі над промисловими регіонами і мегаполісами. На уроках також ішлося про руйнування озонового шару в атмосфері, його причини і негативні наслідки.
В Україні щороку в атмосферу потрапляє 6—7 млн т шкідливих речовин. Міста, найбільш забруднені техногенними викидами, розташовані переважно в Донецькій, Луганській і Дніпропетровській областях. Екологічну ситуацію в Маріуполі та Кривому Розі вважають вкрай незадовільною. Дуже забруднюють довкілля теплоенергетичні підприємства і металургійні заводи, а у великих містах — автотранспорт (у Києві на нього припадає приблизно 90% усіх забруднень). Від промислових стоків найбільше потерпають річки Дніпро і Сіверський Донець.
В атмосферу потрапляють продукти неповного згоряння пального в автомобільних двигунах, газові викиди хімічних підприємств.
Концентрації в повітрі вуглеводнів, фенолу, формальдегіду, аніліну, інших шкідливих органічних і неорганічних сполук над промисловими центрами нерідко перевищують дозволені законодавством у 10 і більше разів.
Фреони CCl3F, CHClF2, C2Cl2F4 та інші, які виділяються із несправної холодильної техніки, аерозольних упаковок, руйнують озоновий шар.
Цікаво знати: уперше велику озонову «дірку» в атмосфері було виявлено в кінці 70-х років ХХ ст.
Істотного забруднення зазнає й гідросфера. Морська фауна, жителі приморських районів потерпають від катастроф танкерів, які перевозять нафту і нафтопродукти, аварій на нафтових платформах. Щороку у Світовий океан виливається в середньому 10 млн т нафти. Кожна тонна її розтікається на поверхні води площею понад 12 км2 і створює плівку, яка ізолює воду від атмосфери і порушує екологічну рівновагу. Річки забруднюються стічними водами нафтопереробних заводів, підприємств органічного синтезу, які виробляють галогенопохідні вуглеводнів, органічні кислоти, альдегіди, фенол та його похідні, ароматичні сполуки, барвники. На окиснення органічних речовин, що потрапили у воду, витрачається розчинений у ній кисень. Від його нестачі гине риба. Останнім часом різко зростають масштаби засмічення природних водойм відходами полімерних матеріалів і пластмас, зокрема використаними пластиковими пляшками, поліетиленовими пакетами. Негативно впливають на мешканців річок і озер залишки синтетичних мийних засобів.
Цікаво знати: щороку в ґрунти, річки й озера потрапляє 4 млн т пестицидів.
Земна поверхня забруднюється використаними полімерними матеріалами та виробами з них, залишками мінеральних добрив, засобів захисту рослин від хвороб і шкідників, будівельних матеріалів, побутовим сміттям.
Хімія й охорона довкілля. Хіміки не лишаються осторонь проблем, пов’язаних із забрудненням довкілля, що постійно зростає. Вони розробляють ефективні методи очищення промислових газів і рідких стоків підприємств, переробки твердих відходів.
Більшість цих методів передбачає здійснення хімічних реакцій із перетворенням шкідливих речовин на безпечні для живої природи. Якщо речовина-забрудник, що міститься у стічній воді підприємства, має кислотні властивості, то її звичайно нейтралізують вапном або вапняком (крейдою). У лужні стоки додають розчин сульфатної кислоти. Це найдешевша кислота, а продукти реакцій за її участю — сульфати — як правило, безпечні для довкілля. Дуже ефективним і економічно вигідним є знешкодження кислих і лужних промислових стоків шляхом їх змішування. У цьому разі хімічні реагенти не потрібні. Іноді для очищення води після її використання в промисловості здійснюють реакції обміну з утворенням нерозчинних сполук токсичних елементів, які відокремлюють фільтруванням. Домішки речовин-окисників видаляють за допомогою таких відновників, як сульфур(ІV) оксид,
ферум(ІІ) сульфат, а речовини-відновники окиснюють киснем повітря, озоном, іншими речовинами.
У наш час хіміки розробляють матеріали, які не завдають шкоди природі. Деякі матеріали довговічні, стійкі щодо речовин довкілля, а інші поступово розкладаються в природних умовах з утворенням безпечних речовин.
Учені також беруть участь у розв’язанні завдань, пов’язаних із переробкою та використанням різних відходів.
Екологічні проблеми виникають не лише через інтенсивний розвиток промисловості, транспортної сфери, енергетики, а й через нестачу екологічних знань у людей, які проектують підприємства, дозволяють їх будувати, керують ними.
Сучасні хімічна наука і хімічна технологія покликані створити таку індустрію, яка б ґрунтувалася на ефективних виробничих процесах, безпечних для людини і довкілля.
Хіміки разом з іншими спеціалістами мають зробити вагомий внесок в оздоровлення природи, зупинити негативний вплив цивілізації на неї.
Людство виходить на шлях стійкого розвитку. Серед стратегічних завдань кожної держави на цьому шляху —
• раціональне використання природних ресурсів;
• комплексна переробка сировини;
• впровадження енергозберігальних технологій, використання нетрадиційних джерел енергії;
• зменшення викидів парникових газів;
• збереження родючості ґрунтів і охорона природних водойм від забруднень;
• ефективна переробка відходів виробництва і споживання.
«Зелена» хімія
Нинішні прогнози щодо майбутнього стану природи є песимістичними. В останні десятиліття учені докладають чималих зусиль, щоб змінити ситуацію, яка склалася. Поступово формується галузь хімії, яку називають «зеленою» хімією, тобто дружньою щодо довкілля. Можливий синонім цієї назви — «екологічно чиста хімія».
Розглянемо головні завдання, які постають перед «зеленою» хімією.
1. Створення нових хімічних технологій, а також удосконалення існуючих. Основна мета — максимальне використання сировини, вихідних речовин і зменшення до мінімуму кількості відходів. Екологічність технології іноді оцінюють за відношенням маси кінцевого продукту до маси відходів. Якщо для пластмаси цей показник може становити, наприклад, 1 : 5, то для деяких фармацевтичних препаратів — 1 : 500. Ідеал — безвідходне виробництво з повним використанням сировини.
Важливим для сучасної технології є вибір найбільш безпечного процесу, а також безпечних способів виділення й очищення цільового хімічного продукту. Для багатостадійних процесів бажане скорочення кількості стадій, що сприятиме зменшенню кількості відходів і збільшенню виходу цільових продуктів.
Один із принципів «зеленої» хімії — принцип «економії атомів». Наприклад, якщо органічна сполука утворюється внаслідок різних реакцій, то її вигідніше добути за реакцією приєднання (обидва реагенти використовуються, утворюється один продукт), ніж за реакцією заміщення або окисно-відновною реакцією, коли, крім цільового продукту, утворюються інші, другорядні. Цей принцип також дотримується, якщо хімічне перетворення здійснити за меншу кількість стадій.
Зростає актуальність досліджень каталітичних реакцій. Застосування каталізаторів дає змогу заощадити реагенти і знизити енерговитрати. Важливими заходами є заміна токсичних каталізаторів нетоксичними, а також розширення сфери використання каталізаторів білкової природи — ферментів.
У хімічні технології дедалі більше залучають рослинну сировину. Зростає виробництво біогазу із рослинних решток і відходів тваринництва і птахівництва, полімерів із деяких рослин. Значну кількість етену добувають у Бразилії з етанолу, виробленого із цукрової тростини.
2. Удосконалення процесів утилізації відходів виробництва та споживання, використання їх як вторинної сировини. Першочергове завдання — переробка полімерних відходів, яких накопичується дедалі більше.
3. Пошук нешкідливих речовин, які б замінили шкідливі в багатьох виробництвах. Це завдання для кожного є очевидним. Токсичні речовини потребують особливих заходів при їх зберіганні, використанні, а залишки необхідно утилізувати або направляти на переробку. Значну увагу вчені приділяють розробленню технологій без використання органічних розчинників, оскільки майже всі ці речовини негативно впливають на здоров’я людини.
4. Винайдення полімерів, які можуть розкладатися в природних умовах. Переважна кількість пластмасових виробів не призначена для довготривалого використання. Їх відходи, маса яких стрімко зростає, не розкладуться в довкіллі й за 100 років. На жаль, переробка охоплює лише незначну частину таких відходів. Розширюються дослідження нових полімерів (поліпептидних, поліестерних), що подібні до природних високомолекулярних сполук і тому повільно розкладаються за участю бактерій і мікроорганізмів. Із цих полімерів виготовляють пакувальні матеріали, різний посуд, інші вироби.
У світі виходять друком наукові журнали, в яких висвітлюються проблеми розвитку «зеленої» хімії, повідомляється про досягнення в цій галузі. Періодично відбуваються міжнародні наукові конференції, де вчені обмінюються своїми здобутками.
Комментарии
Отправить комментарий