книги / Общая химия.-1

Полистирол обладает высокой механической прочностью и ди­ электрическими свойствами (см. табл. 14.2) и используется как высо­ кокачественный электроизоляционный, а также конструкционный и декоративно-отделочный материал в приборостроении, электротех­ нике, радиотехнике, бытовой технике. Гибкий эластичный полисти­ рол, получаемый вытяжкой в горячем состоянии, применяется, для оболочек кабелей и проводов. На основе полистирола также выпус­ кают пенопласты.

П о л и в и н и л х л о р и д [~СН2-СНС1-]п - термопласт, изго­ товляемый полимеризацией винилхлорида, стоек к воздействию ки­ слот, щелочей и окислителей (см. табл.14.3). Растворим в циклогек­ саноне, тетрагидрофур'ане, ограничено — в бензоле и ацетоне. Труд­ ногорюч, механически прочен (см. тафт 14.2). Диэлектрические свойства хуже, чем у полиэтилена. Применяется как изоляционный материал, который можно соединять сваркой. Из него изготовляют грампластинки, плащи, трубы и др. предметы.

П о л и т е т р а ф т о р э т и л е н (фторопласт) [-СР2-Ср2-]„ - термо­ пласт, получаемый методом радикальной полимеризации тетрафторэтилена. Обладает исключительной химической стойкостью к кисло­ там, щелочам и окислителям. Прекрасный диэлектрик. Имеет очень широкие температурные пределы эксплуатации (от —270 до +260 °€). При 400 С разлагается с выделением фтора, не смачивается водой. Фторопласт используется как химически стойкий конструкционный материал в химической промышленности. Как лучший диэлектрик применяется в условиях, когда требуется сочетание электроизоляци­ онных свойств с химической стойкостью. Кроме того, его использу­ ют для нанесения антифрикционных, гидрофобных и защитных по­ крытий, покрытий сковородок.

П о л и м е т и л м е т а к р и л а т (плексиглаз)

СНз

-сн2-сI-

0=С-ОСНз

п

- термопласт, получаемый методом полимеризации метилметак­ рилата. Механически прочен (см. табл. 14.2), стоек к действию ки­ слот, атмосферостоек. Растворяется в дихлорэтане, ароматических

47)

углеводородах, кетонах, сложных эфирах. Бесцветен и оптически прозрачен. Применяется в электротехнике, как конструкционный материал, а также как основа клеев.

П о л и а м и д ы - термопласты, содержащие в основной цепи амидогруппу -1МНСО-, например поли-е-капрон [-КН-^СНгЭб-СО-],,, полигексаметиленадипинамид (найлон) [-ЫН-(СН2)5-КН-СО-(СН2)4-ССН„ полидодеканамид [-ЫН-(СН2)п-СО-]„ и др. Их получают как поли­ конденсацией, так и полимеризацией. Плотность полимеров 1,Он-1,3 г/см3. Характеризуются высокой прочностью, износостойко­ стью, диэлектрическими свойствами. Устойчивы в маслах, бензине, разбавленных кислотах и концентрированных щелочах. Применяются для получения волокон, изоляционных пленок, конструкционных, антифрикционных и электроизоляционных изделий.

П о л и у р е т а н ы - термопласты, содержащие в основной цепи группы ->Щ(С0)0-, а также эфирные, карбаматные и др. Получают взаимодействием изоциантов (соединений, содержащих одну или несколько ЖЮ-групп) с полиспиртами, например с гликолями и гли­ церином. Устойчивы к действию разбавленных минеральных кислот и щелочей, масел и алифатических углеводородов.

Выпускаются в виде пенополиуретанов (поролонов), эластомеров, входят в составы лаков, клеев, герметиков. Используются для тепло- и элекэроизоляции, в качестве фильтров и упаковочного материала, для изготовления обуви, искусственной кожи, резинотехнических изделий.

Полиэфиры -полимеры с общей формулой Н0[-К-0-]„Н или [—ОС—К.—СОО—К1—О—]п. Получают либо полимеризацией циклических оксидов, например этиленоксида, лактонов (сложных эфиров оксикислот), либо поликонденсацией гликолей, диэфиров и других соеди­ нений. Алифатические полиэфиры устойчивы к действию растворов щелочей, ароматические - также к действию растворов минеральных кислот и солей.

Применяются в производстве волокон, лаков и эмалей, пленок, коагулянтов и флотореагентов, компонентов гидравлических жидко­ стей и др.

С и н т е т и ч е с к и е к а у ч у к и ( э л а с т о м е р ы ) получают эмульсионной или стереоспецифической полимеризацией. При вул­ канизации превращаются в резину, для которой характерна высокая эластичность. Промышленность выпускает большое число различных синтетических каучуков (СК), свойства которых зависят от типа мо­ номеров. Многие каучуки получают совместной полимеризацией

4 7 2

двух и более мономеров. Различают СК общего и специального на­ значения. К СК общего назначения относят бутадиеновый [-СНг-СН=СН-СН2-|„ и бутадиенстирольный [-СН2~СН=СН-СН2-]„_ -[-СН2-СН(С6Н5)-]„. Резины на их основе используются в изделиях массового назначения (шины, защитные оболочки кабелей и прово­ дов, ленты и т.д.). Из этих каучуков также получают эбонит, широко используемый в электротехнике. Резины, получаемые из СК специ­ ального назначения, кроме эластичности характеризуются некоторы­ ми специальными свойствами, например бензо- и маслостойкостью

(бутадиеннитрильный СК [-С Н 2-С Н =С Н -С Н 2-]„-[-С Н 2 -СН (СЫ )-]п),

бензо-, масло- и теплостойкостью, негорючестью (хлоропреновый

[-С(СН з)2-С Н 2-]„-[-С Н 2С(СНз)=СН-СН2- ] я,.

К наиболее применяемым относятся бутадиенстирольный (более 40%), бутадиеновый (13%), изопреновый (7%), хлоропреновый (5%) каучуки и бутилкаучук (5%). Основная доля каучуков (60-70%) идет на производство шин, около 4% - на изготовление обуви.

К р е м н и й о р г а н и ч е с к и е п о л и м е р ы ( с и л и к о н ы ) - содержат атомы кремния в элементарных звеньях макромолекул, например:

Большой вклад в разработку кремнийорганических полимеров внес российский ученый К.А.Андрианов. Характерной особенностью этих полимеров является высокая тепло- и морозостойкость, эластич­ ность. Силиконы не стойки к воздействию щелочей и растворяются во многих ароматических и алифатических растворителях (см. табл. 14.3). Кремнийорганические полимеры используются для получения лаков, клеев, пластмасс и резины. Кремнийорганические каучуки [-81(К2)-0-]„, например диметилсилоксановый и метилвинилсилоксановый имеют плотность 0,96—0,98 г/см3, температуру стеклования 130°С. Раство­ римы в углеводородах, галогеноуглеводородах, эфирах. Вулкани­ зируются с помощью органических пероксидов. Резины могут эксплуатироваться при температуре от —90 до +300°С, обладают атмосферостойкостью, высокими электроизоляционными свойст­ вами (р = 1015— 1016 Омсм). Применяются для изделий, работающих

473

Земли не вечна благодать Когда далекого потомка

Ты пустишь по миру с котомкой, Ей будет нечего подать.

В. Федоров

Глава пятнадцатая

ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ

При рассмотрении законов химии, химических реакций и свойств различных веществ ваше внимание обращалось на токсичность неко­ торых веществ, на возможные экологические последствия тех или иных процессов. Однако это были в основном разрозненные сведе­ ния. Имеется необходимость в сжатой форме представить основные взаимосвязи химических реакций и экологии, потенциальные и ре­ альные вредные последствия химических процессов, используемых в различных областях техники, а также возможности химии в решении экологических проблем общества. Этой цели и служит данная глава.

§15.1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЩЕСТВА

Загрязнение окружающей среды. Научно-технический прогресс, улучшая качество жизни человека, одновременно порождает и опре­ деленные, в том числе экологические, проблемы. В результате дея­ тельности человека в окружающую среду попадает большое число вредных веществ. К наиболее токсичным относятся тяжелые металлы и неметаллы II, V и VII групп таблицы Д.И. Менделеева (рис. 15.1). Наиболее опасными из них являются бериллий, ртуть, свинец, кад­ мий, мышьяк, сурьма и теллур. Токсичные элементы принимают уча­ стие в природном кругообороте (рис. 15.2), заканчивающимся на жи­ вотных и человеке, в организме которых эти элементы могут накап­ ливаться. К группе опасных элементов нужно отнести фтор и хлор изза их токсичности и газообразного состояния при обычных условиях. Кроме того, хлор реагирует со многими веществами с образованием очень токсичных веществ, например диоксина (см. §13.3). Деятель­ ность человека порождает также большое число токсичных неорга­ нических и органических соединений, попадающих в окружающую среду, например, печально известный пестицид — ДДТ, полицикли­ ческие ароматические углеводороды (см. §13.3) и др.

475

Группы элементов

Р и с . 15.1. Токсичные элементы в периодической системе Д.И. Менделеева

Некоторые из них вызывают массовое отравление людей, например, при аварии в Бхопале (Индия) из-за утечки токсичного полупродукта метилизоцианата погибло более 2500 человек. Другие действуют в течение длительного времени, например, вредные пестициды. Неко­ торые токсичные вещества в природе разлагаются и их токсичность постепенно снижается. Однако, уже известны и явления противопо­ ложного характера. Ртуть под воздействием некоторых бактерий об­ разует очень токсичные органические соединения, например, диметилртуть Н§(СН3)2, способные проникать сквозь мембраны клеток организма. Некоторые морские растения могут синтезировать из аро­ матических углеводородов канцерогены, например бензапирен. В настоящее время деятельность человека заметно влияет на литосфе­ ру, атмосферу и гидросферу, причем изменения принимают плане­ тарный характер.

Высокими темпами расходуются сырьевые ресурсы. Так, напри­ мер, в 1990 г. в мире потреблялось (в миллионах тонн условного топ­ лива*) нефти — 4700, угля — 3100 и газа — 2600. Ежегодно на по­ верхности Земли возрастает количество различных веществ, в том числе токсичных, например: фосфора — на 7,4 млн. т, свинца — на 5,7 млн.т, урана — на 230 тыс.т, мышьяка — на 190 тыс.т, ртути — на

79тыс.т.

*Условным называется топливо, имеющее удельную теплоту сгорания 29,31 МДж/кг.

476

Электростанциями, транспортом и предприятиями выбрасывается в атмосферу огромное количество вредных веществ, причем выброс этих веществ постоянно возрастает. Поступающие в атмосферу веще­ ства взаимодействуют с окружающей средой не только на месте вы­ броса, но и в районах, куда они переносятся в виде газа, капелек жид­ кости и твердых частиц воздушными течениями. За последние годы во многих районах земного шара выпадают дожди, у которых рН значительно ниже («кислотные дожди»). Эти дожди не только оказы­ вают вредное воздействие на животный и растительный мир, но и разрушают металлы, здания и сооружения.

Антропогенные выбросы в атмосферу вызвали крупные экологи­ ческие последствия планетарного масштаба, такие как озоновые ды­ ры и «парниковый» эффект. С развитием атомной энергетики появи­ лась опасность радиоактивного заражения больших территорий, как это произошло в результате Чернобыльской аварии (см. гл. 17).

Большое количество вредных компонентов сбрасывается в вод­ ные бассейны. Основными причинами загрязнения гидросферы явля­ ется сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод промышленными, коммунальными и сельскохозяйственными пред­ приятиями. Реки и моря загрязняются токсичными металлами, по­ верхностно-активными веществами, нефтепродуктами й т.д. Расход чис­ той воды на Земле составляет около 40% речных стоков. Если сох­ ранятся существующие темпы загрязнения водных бассейнов, то к 2010 г. все мировые ресурсы пресных вод могут оказаться исчерпанными.

Р и с . 15.2. Природный кругооборот, в котором участ­ вуют токсичные элементы в природе

4 7 7

Ущерб, наносимый загрязнением окружающей среды, огромен. Поэтому экологические проблемы находятся в центре внимания человечества. Этот вопрос рассматривался на мировом форуме в Рио- де-Жанейро, принявшем декларацию о необходимости устойчивого (без кризисов) развития человечества на Земле.

Роль химии в решении экологических проблем. Химические процессы играют важнейшую роль в экологической проблеме. Подав­ ляющее большинство вредных выбросов электростанций, транспорта, промышленных и сельскохозяйственных предприятий являются про­ дуктами различных химических реакций: окисления (горения), восста­ новления, разложения и т.п. Понимание специалистами этих реакций способствует принятию правильных решений по снижению или пол­ ному устранению вредных последствий.

Источником вредных воздействий на природу является и химиче­ ская промышленность. К настоящему времени в окружающую среду выброшено около 3 млн. новых химических соединений, к которым природа не приспособлена. Следует, однако, отметить, что использова­ ние достижений химии является важным условием решения экологиче­ ских проблем. Химическая промышленность производит ряд реаген­ тов, адсорбентов, ионообменных смол и других веществ, без которых невозможна очистка сточных вод и других выбросов.

Неотъемлемой чертой химической промышленности является по^ вышение степени комплексного использования исходного сырья. Н базе использования законов химии удается решить многие экологи­ ческие задачи не только в химической, но и в других отраслях про­ мышленности. Наиболее перспективный метод решения экологиче­ ских проблем заключается в создании безвредных и безотходных процессов.

Итак, воздействие человека на литосферу, гидросферу и атмосфе­ ру принимает планетарный характер, поэтому необходимы адекват­ ные меры по предотвращению экологических катастроф планетарных масштабов.

Задачи и вопросы для самоконтроля

15.1.Если концентрация растворенного соединения кадмия (ПДК 10'2 мг/л) в сточной воде доставляет 10 ммоль/л, то во сколько раз необходимо разбавить воду, чтобы можно было сливать ее в канализацию?

15.2.Приведите источники и механизм появления серной кислоты в атмосфере?

478

§15.2. ОХРАНА ВОЗДУШ НОГО БАССЕЙНА

Выбросы вредных веществ в атмосферу. Основные антропо­ генные атмосферные выбросы вредных веществ вызваны сжиганием органического топлива на электростанциях, в котельных, промыш­ ленных печах и двигателях внутреннего сгорания, а также переработ­ кой руд и получением различных химических продуктов.

Суммарные антропогенные выбросы на нашей планете в 80-х годах составляли (т/год): пыль и сажа — (8— 16) • 108, оксид углерода — (2—3) ■108, оксиды серы — (8—15) ■107, оксиды азота — (4—8,5) • 107.

Кроме того, в атмосферу поступают углеводороды, свинец, ртуть, мышьяк, летучие химические реагенты и продукты, радиоактивные изотопы (см. гл. 17). Основная часть выбросов поступает от тепловых электростанций (до 21%), предприятий металлургии, нефтедобычи и нефтепереработки, автотранспорта (рис. 15.3). Значительная часть вредных атмосферных выбросов обусловлена горением топлива.

Продукты горения топлива зависят от его состава и условий сжи­ гания. Однако при горении топлива на электростанциях, в промыш­ ленных печах, двигателях внутреннего сгорания и других установках всегда образуются Н20, С02 и СО. Соотношение между С02 и СО в продуктах горения зависит от ряда факторов и прежде всего от соот­ ношения топлива и воздуха. Если подача воздуха недостаточна, то топливо сгорает неполностью, в продуктах горения увеличивается доля СО и сажи, при этом КПД использования топлива понижается. В то же время большой избыток воздуха ухудшает эффективность ра-

Р и с . 15.3. Доли загрязнений атмосферы различными отраслями техники в России:

/ — теплоэнергетика; 2 — черная металлургия; 3 — нефтедобыча и нефтепереработка; 4 — автотранспорт; 5 — цветная металлургия; 6 — промышленность строительны); материалов; 7— химическая промышленность

479

боты установок, так как при этом необходимы дополнительные за­ траты теплоты на подогрев воздуха. Температура топливо-воздушной смеси на некоторых участках может упасть ниже температуры вос­ пламенения топлива, из-за чего часть его не успевает сгореть. Поэто­ му должно соблюдаться оптимальное соотношение между топливом и воздухом. Лучше всего контролировать это соотношение по содер­ жанию СО и С02 в продуктах горения.

Кроме паров воды,и оксидов углерода, продукты горения топлива содержат оксиды серы и азота, азот, непрореагировавший кислород и другие вещества. Оксиды серы образуются по реакции окисления серы

8+02=802 802+1/20 2=803 и серосодержащих соединений, а также разложения сульфидных со­

единений. Основная часть оксидов азота поступает в атмосферу от автотранспорта и тепловых электростанций. Оксиды азота образуют­ ся за счет окисления как азота воздуха, так и азота топлива. Реакции

протекают по цепному механизму, например, по схеме:

о2+н2->ш2+ы*

1М*+ 0 2 -> N0 + О*

N 4 О* -> N0*

В реакции окисления принимают участие радикалы, обра­

зующиеся при окислении или разложении топлива, например СН:

сн*+тч2->нсы+м* он*+ы*->ыо+н*

Продукты горения топлива содержат также углеводороды, в част­ ности бенз(а)пирен С20Н12, обладающий канцерогенными свойствами. В продуктах горения твердого топлива и мазута имеется значитель­ ная доля твердых веществ: золы, сажи и др.

Количество и состав продуктов горения зависят от состава исход­ ного топлива и условий горения (табл. 15.1)

Т а б л и ц а 15.1. Годовые выбросы тепловой электростанции мощностью

* Содержание в рабочем топливе (масс, доли, %): золы в мазуте. — 0,05, в угле — 9; серы в мазуте — 1,6, угле — 3,5.

480