2.4. Экономические и социальные аспекты современной химии.

Масштабы химического производства. Способы оценки и прогнозирования возможных негативных воздействий производства на окружающую среду

С увеличением в атмосфере углекислого и некоторых других газов усиливается нагревание поверхности Земли и нижних слоев атмосферы. Излучение Солнца нагревает поверхность Земли. Значительная часть этого излучения поглощается молекулами углекислого газа и водяного пара в атмосфере и вновь излучается обратно к поверхности как добавочное тепло. Так действуют стеклянные покрытия теплиц, которые пропускают солнечный свет, но удерживают тепло. Широко распространенное сжигание ископаемого топлива увеличивает количество углекислого газа в атмосфере и усиливает парниковый эффект, что может вызвать климатические изменения, вплоть до глобального потепления.

Истощение природных ресурсов и проблема сырья. Новые виды топлива. Экологически безопасные технологии «зеленой химии»

Основной источник энергии на Земле – химическая энергия топлива. Топливо разделяется по агрегатному состоянию на твердое, жидкое и газообразное, а по способу получения – на естественное и искусственное. К твердым видам топливам относятся каменные и бурые угли, горючие сланцы, торф, дрова; к жидким видам топлива относится нефть и продукты ее переработки: бензин, керосин, мазут и др. К газовым видам топлива относится природный газ и газообразные продукты переработки жидкого и твердого топлива.

Важнейшей характеристикой топлива является теплота, выделяемая при его сгорании. Чем больше будет получено тепловой энергии, тем топливо ценнее.

Основной компонент твердого топлива – углерод, который входит в горючую часть. К негорючей части относятся неорганические вещества, переходящие после сгорания в золу и влагу. Твердые топлива располагаются в порядке возрастания по удельной теплоемкости сгорания так: древесина, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, древесный уголь.

Естественным жидким топливом является нефть. Она состоит в основном из смеси различных углеводородов. Нефть обязательно подвергается перегонке или крекингу, а также очищению от серы. Чем меньше содержится серы в сырой нефти, тем она выше по качеству.

Газовое топливо – это, во-первых, природный газ из газовых месторождений, во-вторых, попутные газы при добыче нефти и, наконец, газы газовых конденсатов – продуктов, выделенных из природного газа и представляющих собой смесь жидких углеводородов.

2.5. Перспективные химические материалы.

Применение полимеров, металлов и сплавов, силикатных материалов, биологически активных веществ. Традиционные материалы с новыми свойствами (древесина, стекло, керамика). Композиты

Высокомолекулярные соединения называют полимерами. Молекулы полимеров состоят из большого числа повторяющихся звеньев. На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, краски, пластмассы и композитные материалы. Композиты состоят из основы (органической, полимерной, углеродной, металлической, керамической), армированной наполнением в виде высокопрочных или нитевидных кристаллов.

Полимерное строение характерно также для кремниевой кислоты и ее солей – силикатов. Примером силикатов могут быть полевой шпат, глины, цеолиты. При сплавлении песка, соды и мела при температуре 1000-1500⁰ получают оконное и бутылочное стекло. Если добавить 8 % и более окиси свинца, получится хрусталь. Прочность стекла может быть повышена при переводе его в кристаллическую форму (ситаллы). Из стекла готовят стекловолокно и стеклоткань.

Керамику (фарфор, черепицу, кирпич) получают формованием влажной массы силикатного каолина и кварца с последующим спеканием при высокой температуре – 1000^о и более.

В строительстве в больших объемах используется также цемент, получаемый обжигом при температуре 1400-1600⁰ тонкоизмельченной смеси двуокиси кремния (SiO₂), глины и известняка во вращающихся печах. Получаемый продукт (клинкер) измельчается в порошок (2CaSiO₅). Наряду с цементом вяжущими материалами являются также известь - Са(ОН)₂ и гипс (2СаSO₄ H₂O).

Нанотехнологии как новое направление на стыке естественных наук

Металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами и состоящие из двух или более элементов, из которых хотя бы один является металлом. Свойства сплавов значительно отличаются от свойств металлов. Например, прочность на разрыв сплава меди и цинка (латуни) в 3 раза выше, чем у меди и в 6 раз по сравнению с цинком. Сплав железа с хромом и никелем (нержавеющая сталь) устойчив к действию серной кислоты.

Строительство – самый материалоемкий вид общественного производства. Стоимость материалов, предназначенных для выполнения СМР, составляет более половины общей стоимости строительства. В крупнопанельном и объемно-блочном домостроении этот показатель возрастает до 75%. Отсюда очевидно, что важнейшее требование в использовании сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в строительстве – экономия. К рациональному использованию материалов ведут два пути:

• расширение потребления отходов и вторичных ресурсов;

• применение новых эффективных материалов и конструкций.

Прорыв к принципиально новым свойствам строительных материалов и изделий связан с нанотехнологией, т.е. технологией создания и управления структурами, размеры которых лежат в пределах от единиц до нескольких десятков нанометров (1 нм = 10 ^{– 9} м). Такие структуры присутствуют везде, в т.ч. в строительных материалах, но «видеть» и управлять ими осознанно стало возможным относительно недавно. Нанотехнологии за счет модификации наноструктурами позволяют изменять свойства конструкционных материалов, увеличивать их прочность, водо- и коррозионную стойкость. Так, российские ученые создали супербетон с применением нанотехнологии, который превосходит обычный по всем параметрам – он сверхлегкий, особо прочный и стойкий к перепадам температур. Специальные добавки (наноинициаторы) повышают его прочность на 150 %, морозостойкость – на 50 %, а вероятность появления в нем трещин в три раза ниже. Вес конструкции, изготовленной из такого бетона, снижается примерно в шесть раз.

Эффективно применение нанобетона и при восстановлении зданий. Нанесенный на железобетонную конструкцию нанобетон заполняет все микротрещины и полимеризуется, восстанавливая ее прочность. Если же арматура проржавела, новое вещество вступает в реакцию с коррозийным слоем, замещает его и восстанавливает сцепление бетона с арматурой. Несомненно, что в нанометрии будут получены новые уникальные результаты.