Лекция 8. Современная химия: экономический и социальный эффект.

Цель: способствовать формированию представлений о роли химии для развития современного промышленного и сельскохозяйственного производства, ее взаимосвязи с проблемами охраны окружающей среды.

Вопросы для рассмотрения:

1. Масштабы современного химического производства.

2. Химия и охрана окружающей среды.

3. Задачи, решаемые химией в интересах устойчивого развития цивилизации

4. Основные концепции современной химии.

5. Перспективные химические процессы и материалы.

6. Роль химии в решении продовольственной проблемы.

7. Значение химических знаний в повседневной жизни.

Введение.

На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш пре­док научился изготавливать и использовать простейшие ору­дия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказавшись перед про­блемой обеспечения пищей, освоил охоту, затем земледелие и скотоводство. Освоение все более сложных орудий и пред­метов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источников энергии к более совер­шенным. Энергетическая проблема последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, и, наконец, энергии атома.

Необходимость повышения производительности труда и эф­фективности производства, роста темпов добычи и перера­ботки громадного объема минеральных ресурсов, наряду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем вызвали к жизни использование химической технологии, все­общую химизацию, а затем компьютеризацию общественно­го производства и быта.

2. Современное химическое производство иначе,

Каковы место и роль химии в современной цивилизации?

Химическое производство берет свое начало от ремесленной прикладной химии первобытного общества, которая обеспечивала человека металлами, стеклом, керамикой, красителями (минеральными и органическими) косметическими средствами, ядовитыми и лекарственными веществами, веществами, пригодными для бальзамирования и др. Кроме меди и железа древние знали такие металлы, как золото, свинец, олово, ртуть и их сплавы. Из свинца, например, отливали культовые фигуры, украшения, статуэтки.

В настоящее время успехи человека в решении больших и малых проблем вы­живания в значительной мере были достигнуты благодаря раз­витию химии, становлению различных химических техноло­гий. Успехи многих отраслей человеческой деятельности, та­ких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависит от состояния и развития химии. Огромное значение химия име­ет для успешной работы сельскохозяйственного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человеком.

Известны в настоящее время примерно 10-20 млн. химических соединений.

Химическая промышленность производит десятки тысяч наименований продуктов, многие из которых по технологи­ческим и экономическим характеристикам успешно конкури­руют с традиционными материалами, а часть — являются уни­кальными по своим параметрам.

Химия дает материалы с за­ранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе. Подобные материалы позволяют проводить технологические процессы с большими скоростями, температурами, давлениями, в условиях агрессивных сред.

Для промышленности химия поставляет такие продук­ты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна и.т.п.

Для сельского хозяйства химическая промышленность выпускает минеральные удобрения, средства защиты от вре­дителей, химические добавки и консерванты к кормам для животных, пестициды (средства повышения урожайности). Этот процесс назван «зеленой революцией». И поэтому урожайность культур резко выросла. Если 100 лет назад средняя урожайность зерновых составляла 5-8 ц/га, то сейчас в развитых странах она составляет порядка 100 ц/га, а в экспериментальных условиях доходит до 200 ц/га.

Для домашнего хозяйства и быта химия поставля­ет моющие средства, краски, аэрозоли и другие продукты.

Химия характерна не только тем, что обеспечивает произ­водство многих необходимых продуктов, материалов, лекарств. Во многих отраслях промышленности широко используются также химические методы обработки: беление, крашение, пе­чатание — в текстильной промышленности; обезжиривание, травление, цианирование — в машиностроении; кислородное дутье — в металлургии; консервация, синтезирование витами­нов и аминокислот — в пищевой и фармацевтической про­мышленности, и т.д. Внедрение химических методов ведет к интенсификации технологических процессов, увеличению вы­хода полезного вещества, снижению отходов, повышению качества продукции.

Таким образом, химизация, как процесс внедрения хи­мических методов в общественное производство и быт, по­зволила человеку решить многие технические, экономичес­кие и социальные проблемы. Однако масштабность, а нередко и неуправляемость этого процесса обернулось «второй стороной медали».

В настоящее время мировое производство стали превышает 1 млрд. тонн в год. При таких темпах производства в ближайшие 50-60 лет мировые запасы железных руд первой категории, составляющие 150-200 млрд. тонн (общие разведанные запасы оцениваются в 370 млрд. тонн), начнут исчерпываться.

Задачи: разработка технологии переработки бедных руд; экономия цветных и черных металлов; защита их от коррозии и износа; замена их менее дефицитными материалами и материалами с лучшими свойствами; развитие порошковой металлургии. Ее методы позволяют заменить литье, ковку и штамповку и получать из порошка металлических отходов, включая окалину, стойкие к износу детали. Позволяют производить прочные и стойкие новые материалы – металлокерамику.

Химическая переработка газа. Источник – природный газ метан. Ныне он используется для получения таких продуктов, как аммиак, метанол, сажа, ацетилен, хлофторуглеводороды. Разрабатываются GTL–технологии (gas-to-liquid)-технологии – технологии конверсии природного газа в синтетические жидкие углеводороды и метанол. Жидкие углеводороды являются основой для получения моторного топлива без экологически опасных примесей серы. Метанол – сырье для производства формальдегида, уксусной кислоты, метил-трет-бутилового эфира («восходящая звезда» химического производства, используемого в качестве присадки к автомобильному топливу для повышения октанового числа бензина, заменяет экологически опасный тетраэтилсвинец).

2. Экологические проблемы. Химия и охрана окружающей среды.

Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей среды — сушу, атмосферу, воды Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нарушилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете, химизация стала заметно отражаться на здоровье самого человека. Возникла ситуация, которую уче­ные обоснованно именуют химической войной против насе­ления Земли. За последние 30—40 лет в этой войне пострада­ли сотни миллионов жителей планеты. Возникла в связи с этим самостоятельная ветвь экологической науки — химичес­кая экология.

Основные источники, загрязняющие окружающую среду (табл. 1 – слайд): 1) электроэнергетика, 2) автомобильный транспорт, 3) металлургия, 4) собственно химическая промышленность. Они дают большой объем газообразных от­ходов, загрязняют реки и озера сточными водами, использу­емыми в технологических целях. Газообразные отходы содер­жат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, рту­ти, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объемах возникла про­блема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфе­ре, получившая название «кислородного голодания».

К твердым отходам относятся отходы горнодобывающей промышленности, строительный и бытовой мусор.

Сточные воды содержат многие неорганические соединения — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т.д. Пятая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и нефтепродуктами. Зна­чительный ущерб водоемам вследствие вымывания удобрений из почвы наносят загрязнения, связанные с сельскохозяй­ственным производством. Вредные вещества из воздуха и воды попадают в почву, в которой накапливаются тяжелые метал­лы, радиоактивные элементы.

В организм человека вредные вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество, пройдя ряд этапов развития — от огня до термоядерной бомбы, — в начале XXI в. оказалось в условиях, когда в очередной раз встал вопрос о его выживании.

Проблема выживания человека в настоящее время оказа­лась осложненной проблемами геополитического, социаль­ного и чисто технического характера. Решение последних затруднено ввиду потребительского характера сложившейся ци­вилизации и эгоцентризма индустриально развитых стран. Однако, опираясь на идеи В.И.Вернадского о перерастании биосферы в ноосферу, можно говорить о неслучайности по­явления человека на Земле, о его предназначении в кризис­ной ситуации сыграть роль спасителя природы.

Экологические проблемы порождены не только экономи­кой и техникой, но и нравственным состоянием человека. Во­прос состоит не только в том, чтобы остановить процесс разрушения природы техническими средствами. Вопрос состоит в том, чтобы в корне изменить потребительское отношение человека к окружающему миру.

Осознание угрозы Земле и всем ее обитателям стала настолько всеобъемлющим, консолидирующим и влиятельным, что явилось толчком к поиску новой модели развития цивизизации. В июне 1992 г. в Рио-де-Жанейро на конференции ООН по окружающей среде и развитию появился новый термин «sustinible development», «устойчивое или допустимое развитие». Это такое развитие человечества, при котором требуется установить баланс между динамикой мировой экономики, решением социальных проблем и сохранением окружающей среды

Т.е., удовлетворение потребностей нынешнего поколения должно осуществляться таким образом, чтобы не ограничивать и не подвергать опасности возможности удовлетворения потребностей будущих поколений

Концепция устойчивого развития в нынешнюю эпоху глобализации включает основные проблемы, которые должно будет решать человечество:

– рост народонаселения;

– источники энергии и новые виды топлива;

– пища и питьевая вода;

– источники ресурсов;

– глобальные климатические изменения;

– загрязнение воздуха, воды (мировой океан, моря, озера, реки, подземные источники) и почвы;

– ограничение производства и потребления токсичных и вредных веществ.

Ни одна из проблем, за исключением народонаселении (уровень жизни и здоровья населения так или иначе связаны с химией), не может решиться без участия химии.

Задачи, решаемые химией в интересах устойчивого развития цивилизации XXI века, различны в разных областях (Рис. 1 – слайд):

Химия живого

Создание лекарственных препаратов и медицинских материалов, изучение биохимических процессов в организме человека и определение норм химического воздействия на него.

Химия питания

Разработка средств повышения урожайности (удобрения, пестициды и т.п.) и продуктивности (корма) в сельском хозяйстве.

Разработка пищевых технологий (консерванты, пищевые добавки, методы переработки пищевого сырья и т.п.) и искусственной пищи, подготовка питьевой воды.

Химическое материаловедение

Создание новых конструкционных и функциональных материалов: керамики, полупроводников, стекла, сплавов, минеральных удобрений, пластмасс и смол, резины, лаков, клея, поверхностно-активных веществ, фильтрующих материалов, пигментов, огнезащитных покрытий и материалов, смазок, материалов для транспорта, электроники, металлургии, строительства, легкой и др. отраслей промышленности.

Химическая диагностика и анализ

Разработка принципов, методов и систем химического анализа природных и технологических объектов, экологический мониторинг.

Химическая технология

Переработка природного и техногенного сырья, оптимизация условий производства, создание малоотходных и энергосберегающих технологий, разработка методов рационального использования природных и техногенных ресурсов.

Задача заключается в том, чтобы через новые технологии гармонизировать отношения «об­щество — природа» таким образом, чтобы компенсаторных возможностей окружающей среды было достаточно для нейт­рализации антропогенных воздействий на нее.

Новые технологии по своим параметрам должны прибли­жаться к природным процессам, отличаться от промышлен­ных своей безотходностью или малоотходностью. В настоя­щее время наметились следующие пути решения сложных эко­логических проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем получения известных продук­тов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопотребления; очистка выбрасываемых газов; использование промышленных комплексов с замкнутой структурой материальных и энергетических потоков.

Химическая экология

Изучение химических процессов в биосфере, оценка химических загрязнений окружающей среды и их влияние на экологическое равновесие, разработка методов обезвреживания и утилизации вредных отходов, экспертиза социальных проектов.

Угроза экологической катас­трофы требует решительного пересмотра отношений современной «химической» цивилизации и природы в сторону оптимизации этих отношений.

Химическая энергетика

Разработка технологий преобразования химической энергии, производство энергоемких веществ, материалов для энергетики, освоение новых энергетических ресурсов.

Химия сырьевой проблемы

Усовершенствование методов добычи и переработки сырья, повышение степени извлечения полезных компонентов, замена дефицитных видов сырья более дешевым и доступным.

Из сказанного вытекает, что место и роль химии в совре­менной цивилизации должны рассматриваться системно, т.е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологичес­ки безопасности. При этом неизбежно рассмотрение химии как активного элемента сложной системы «общество-природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую си­стему со своей структурой и взаимообменом между веществом, энергией и информацией.