Тема: Значение химии для решения продовольственной, сырьевой, энергетической, экологической проблем, развития био - и нано - технологий

Базовые термины и понятия: биологическая роль органических соединений, значение химии в создании новых материалов, охраны здоровья, в быту, вредное влияние продуктов химической промышленности на окружающую среду и современных технологиях решения этих проблем.

План:
1. Значение химии в создании новых материалов.
2. Значение химии для решения продовольственной, сырьевой проблем.
3. Значение химии энергетической, экологической проблем.

Содержание лекции:

1. Значение химии в создании новых материалов.
Для осуществления каждого химико-технологического процесса погребная аппаратура, изготовленная из таких материалов, которые способны сопротивляться различным агрессивным воздействиям, в том числе химическим, механическим, термическим, электрическим, время и радиационным, и биологическим.
Химия вносит существенный вклад в создание разнообразных материалов: металлических и неметаллических. Среди металлических материалов чаще всего используются сплавы на основе железа - чугун и сталь, на основе меди - латунь и бронза, на основе алюминия, магния, никеля, ниобия, титана, тантала, циркония и других металлов 3 металлических сплавов изготавливаются теплообменники, емкости, мешалки, трубопроводы, контактные аппараты, колонны и другие аппараты.
Для улучшения качества металлических материалов используют порошковую металлургию. Она включает процессы производства металлических порошков и спекания из них изделий. Современная порошковая металлургия занимается, во-первых, созданием материалов и изделий с такими характеристиками (состав, структура, свойства), которых до сих пор невозможно достичь известными методами плавки; во-вторых, изготовлением традиционных материалов и изделий, но по более выгодным технико-экономическим показателям производства.
Среди неметаллических материалов важное значение приобрели полимеры на основе фенолформальдегидных смол, поливинилхлорида, полиэтилена и фторопластов. Эти материалы, в отличие от металлических, проявляют высокую устойчивость к агрессивным средам, имеют низкую плотность, высокую прочность к истиранию, хорошие диэлектрические и теплоизоляционные свойства. Кроме этого, важное значение имеют каучуки и материалы на их основе - бутилкаучук, фторкаучук, силиконовые каучуки и т.д.
К группе неметаллических материалов относятся и такие традиционные материалы, как керамика, фарфор, фаянс, стекло, цемент, бетон, графит, которые находят все новое и новое использование.

В последнее время требования к материалам неуклонно растут. Это объясняется тем, что значительно шире применяются теперь экстремальные воздействия - сверхвысокие и сверхнизкие давления и температуры, ударные и взрывные волны, ионизирующие излучения, ферменты. Учитывая это, возрастает также роль химии в создании новых материалов, способных сопротивляться этим влияниям.
Особое место среди новых материалов занимают композиты.
Композиционные материалы, состоящие из пластичной основы (матрицы) и наполнителя, называются композитами.
Среди композитов выделяют керметы (керамико-металлические материалы), норпласти (наполненные органические полимеры) и пены (газонаполненные материалы).
Как основу (матрицу) используют металлы и сплавы, полимеры, керамику. Наполнители, которые применяются, особенно для композитов на основе пластмасс, значительно разнообразнее. От них зависит прочность и жесткость композитов.
На Донбассе начаты принципиально новые методы добывания композитов, например, на основе боридов металлов (восстановление оксидов металлов бором в вакууме и карбидом бора). Освоен метод прямого синтеза силицидов из металла и кремния, а также непосредственное восстановление оксидов металлов силицием т.д. Многими своими свойствами - прочностью, ударной вязкостью, прочностью от усталости и т.д. - композиты значительно превышают традиционные материалы, благодаря чему потребности общества в них и вообще в новых материалах непрерывно растут. На изготовление композитов тратят большие средства, этим объясняется тот факт, что главными потребителями композитов пока есть авиационная и космическая промышленности.
2. Значение химии для решения продовольственной, сырьевой проблем.
Население нашей планеты растет. По прогнозам ООН к 2000 г. оно составляет около 6,5 млрд. человек и будет, естественно, увеличиваться в последующие десятилетия. Это означает, что сегодня следует задуматься над тем, как обеспечить население Земли питанием в предвидимом будущем. Расчеты ученых приводят к выводу, что проблему решит, если за ближайшие 40 - 50 лет мировая продукция продуктов возрастет в 3 - 4 раза. Подобный прирост то, может быть осуществлен в том случае, если произойдет " зеленая революция " - резкий подъем сельского хозяйства, прежде всего в странах, с учетом внедрения всех достижений современной науки, в частности химии. Есть ли основания верить в такую возможность " зеленой революции?". Ученые отвечают на это вопрос внятно: да, можно. Модернизированное сельское хозяйство, с помощью своих могучих сообщниц - химии и биологии - легко может прокормить более 6,5 млрд. человек. В решении продовольственной проблемы в глобальном масштабе основной отмечается увеличение производства растительной и животной пищи естественного происхождения. Увеличение же объема производства еды природного производства, по мнению специалистов, будет заинтересован в ближайшем будущем, достигаться счет создания благоприятных условий размножения и роста растений и животных. Так же как, прежде всего применение удобрений и стимуляторов роста, искусственных кормов для сельскохозяйственных животных, средств защиты растений и животных, введение в практику питания новых продуктов, добытого океане и т.д.
Начнем с удобрения. Без них немыслимо современное сельское хозяйство. Одна из главных элементов вводятся в почву в составе минеральных удобрений, - азот. Если водород, кислород, углерод доставляются растениям с углекислым газом, то азот, которого невозможен синтез аминокислот и, следовательно, белка, поступает в растения через корневую систему как нитратов и иона аммония, которые обычно в почве не хватает. Поэтому производство азотных удобрений - это одно из мощнейших отраслей химической промышленности сегодняшнего дня. Большую часть их получают из аммиака, который во времена очередь синтезируют из водорода и азота в присутствии катализаторов при нормальной температуре от 400 до 500оС и высоком давлении - от 20 до 30 МПа: 3Н₂+N2?2NH₃ -112 кДж.

Пока, однако, сельскому хозяйству нужны огромные количества азотных удобрений: аммиака и изготовленных из него сульфата, карбоната и нитрата аммония, и даже мочевины. Аммиак - это самое концентрированное азотное удобрение (содержит более 80% азота). В настоящее короткое время он является один из главных продуктов в большой химии. В 1980-х г. во всем мире было получено 100 млн. тонн азота как аммиака. По содержанию азота по следующим аммиаком удобрением является мочевина (NH₂)₂CO. Исходными веществами его синтеза являются аммиак и углекислый газ. Последний является побочный продукт при конверсии метана из водяного газа. Поэтому современное производство аммиака и мочевины комплексное, на " входе " которого - метан, азот и кислород атмосферы, а также вода, но в " выходе " - аммиак и мочевина. В настоящие время 85 - 90% всей, которую получают в мире мочевины идет производства удобрений.
В ближайшие десятилетия должна состояться не только резкий количественный рост, но и качественное изменения в характере произведенных удобрений.
Большие потери урожая связаны с вредителями и болезней сельскохозяйственных растений. Погибает примерно одна треть урожая. Если отказаться от использования химических средств защиты растений, эта доля удвоится. Для 3 тыс. видов культурных растений известны около 30 тыс. возбудителей болезней! Из более 25 тыс. - грибы, около 600 - нематоды (черви), более 200 - бактерии, около - вирусы. В результате заболеваний растений люди теряют 10 - 15% урожая еще до того, как и собрано. Совместное же влияние болезней, вредителей и сорняков забирают от урожая от 25 до 40%. Цифра не малая, но это не все. От 5 до 25% продукции сельского хозяйства теряется др. перевозке и хранении. Через войну суммарные потери урожая, прежде чем он попадет к потребителю, составляют в разных странах около сорока до 50%. Есть чему задуматься специалистам по борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур. С 1947 по 1980 г. потребление пестицидов 1 за рубежом возросло в 10 - 20 раз, отказаться от пестицидов невозможен. Более того их

применение постоянно растет. Воспользоваться же нашим пестициды, как и другие

токсичные вещества, да еще и столь распространенные, следует очень осторожно: с пищей могут попасть в организм мужчины и в том, что из них накапливаются в организме, но это увеличивает их токсичное влияние. Их рассеивания в природе может иметь негативное воздействие на природные экосистемы. И это порождает перед химиками сложные задачи. Первая их - разрабатываются методы контроля содержания пестицидов в пище. Вторая задача - совершенствование пестицидов. Практика требует от химиков создания таких пестицидов, которые вымывались бы с полей в реки и другие естественные экосистемы, вообще не оказывали бы вредного на окружающую среду. Кроме насекомых, значительную часть урожая уничтожают или портят бактерии, вирусы, грибы. Работа по созданию современных химических средств защиты от него еще только разворачивается, это государственное дело будущего. Здесь предоставляют прекрасную возможность творческой деятельности химиков. Так, теперь во многих лабораториях мира получают системные фунгициды, то есть, средства борьбы с грибковыми заболеваниями растений.
Одной из главных составляющих частей большего обеспечения пищей растущего населения земного шара является проблема полноценного белка в пище. Растительный белок, обычно, удерживает лишь очень небольшое количество аминокислот, в этом числе незаменимых (аргинин, валин, лизин и др.), т.е. таких, которые синтезируются в организме человека или синтезируются со скоростью, недостаточной для потребностей жизнедеятельности организма. Следовательно, они должны поступать в достаточном количестве с пищей, которая содержит все нужные аминокислоты. Такой пищей может быть животный белок.
В животноводстве приобретают все больше вес искусственные, произведенные специальные заводские корма. Для увеличения массы домашний скот должен в достаточном количестве снабжаться сырьем. Это то, возможно растительный белок, рыбная мука и т. д. Однако при расширении масштабов животноводства и увеличении спроса продукцию самых источников белка может хватать, потому что химики с биологами, которые уже начали искать пути замены таких кормов. Одной из хороших заменителей оказалась мочевина (NH₂)₂CO. Другой путь обеспечения сельскохозяйственных животных полноценными белками основывается с его микробиологическим синтезом с помощью дрожжей и бактерий. Получения биомассы путем микробиологического синтеза - это основа индустриального производства пищи в будущем. Сырьем могут быть самые разнообразные вещества, в частности растительные отходы. Поскольку микробиологический синтез составляет заводах, производство белка в такой способ не требует ни больших пахотных площадей земли, ни благоприятных погодных условий. Оно идет равномерно и непрерывно, поддается механизации и автоматизации. Пока получаемая биомасса применяется только как корм животным. Чтобы использовать их в качестве пищи для людей, надо решить ряд проблем. Главная их - тщательная проверка этого продукта на безвредность, отсутствие побочных последствий длительного употребления. Необходимо исследовать усвояемость различных видов " одноклеточных " белков, поскольку содержание в них аминокислот не говорит о свойствах хорошо перевариваться в пищеварительном тракте человека. Известно, например, что белок высших грибов (а дрожжи - их родственники) плохо усваивается человеком, а свободные аминокислоты в значительной мере " перевариваются " в пищеварительном тракте живущими там бактериями.

Значение химии в решении сырьевой проблемы. Природа, что нас окружает, кажется, является неисчерпаемой кладовой, из которой промышленность берет сырье. По мере развития науки и техники все больше новых полезных ископаемых используется для добывания продуктов производства, появляются новые виды сырья, расширяется сырьевая база промышленности.

В связи с бурным развитием промышленности в XX в. резко увеличился объем добычи и переработки полезных ископаемых. За последние 40 лет многих полезных ископаемых было добыто больше, чем за всю историю человечества. Теперь в мире ежегодно извлекается и перерабатывается 100 млрд. т горных пород. А в химическом производстве в качестве сырья используют не только горные породы. Это приводит к тому, что многие сырьевые источники быстро истощаются, вследствие чего и возникает сырьевая проблема. Уже сейчас многие страны испытывают острую нехватку отдельных видов сырьевых ресурсов.
Много редких металлов ранее не находили применения из-за их промышленной недоступности, но потребности в этих металлах атомной энергетики, микроэлектроники, радиотехники, космической техники, которые сегодня определяют научно-технический прогресс, сделали возможным промышленное извлечения рассеянных элементов.
Комплексное использование сырья направляется на применение всех ее главных частей для добывания полезных продуктов или материалов. Это означает, что из одного вида сырья можно добыть большое количество различных продуктов. Например, в настоящее время древесина используется не только как источник изготовления мебели, но и как источник огромных материальных ценностей.
Несоответствие между запасами и потреблением некоторых видов сырья выдвигает проблему ее бережного и рационального использования.
В связи с этим химики ставят перед собой следующие главные задачи:
1) разведки и применения дешевого сырья, новых видов
альтернативных сырьевых материалов;
2) комплексное использование сырья;
3) разработка новых эффективных методов рециркуляции, т.е. многоразового использования различных видов сырья, например, металлов;
4) использование отходов в качестве сырья.
В последнее время химики пытаются применять местное сырье. Это выгодно, поскольку не требует затрат на дальние перевозки. История развития химической промышленности знает немало примеров, когда то или иное вещество из пустой породы или отходов производства превращалась в ценное сырье. Например, хлорид калия КСl в конце прошлого столетия был пустой породой при добыче поваренной соли из сильвинита (минерал КСl • NaCl). В настоящее время сильвинит перерабатывают с целью извлечения из него хлорида калия КСl для производств ценных минеральных удобрений, а хлорид натрия NaCl превратился в отходы.

3. Значение химии в решении энергетической, экологической проблем.
Человеку нужна одежда, жилье, общественные и промышленные строения, орудия труда, машины, аппараты, технические и бытовые приборы, оборудование для транспорта и связи и т.д. Из какого материала вы все это изготовляется? Это вопрос сложный и заслуживает на особое внимание.
Экологическая проблема и пути решения. Научно-технический прогресс, дает человеку много благ, одновременно оказывает и негативное влияние на окружающую природу. Через войну сжигания топлива и других промышленных процессов в течение последних 100 лет в атмосферу выделено около 400 млрд. т оксида углерода (IV); его концентрация в атмосфере возросла на 18%. В прошлом году в атмосферу выбрасывается более 200 млн. т оксида углерода (II), более 50 млн. т оксидов азота. Только авиалайнер за 8 ч полета потребляет 50 - 70 т кислорода, т.е. то количество, которое вырабатывает за то же время 25 -50 тыс. га леса. Если содержание оксида углерода (IV) в атмосфере удвоится, то "за счет " парникового эффекта " средняя температура земной поверхности повысится на 4оС. В промышленно развитых стран в перерасчёте на одного жителя ежегодно в атмосферу попадает до 150 -200 кг пыли, золы и других выбросов. За сутки промышленность мира сбрасывает свыше ста млн. м3 сточных вод.
Мощным источником загрязнения атмосферы являются все виды транспорта, механизмы тепловых двигателей. Выбрасываемые ими вещества в целом идентичны газообразным отходам промышленного происхождения. С выхлопными газами автомобилей в воздух попадают оксиды углерода, азота, серы, альдегиды, несгоревшие углеводороды, и даже продукты, содержащие хлор, бор, фосфор и свинец. Загрязняют атмосферу дизельные двигатели автомобильного, водного и железнодорожного транспорта. В крупных городах - Лондоне, Лос-Анджелесе, Чикаго, Токио, Милане и других - бывает густой туман, смог, токсичный от наличия в нем ядовитых выхлопных автомобильных газов.
В загрязнение атмосферы вносит немалый вклад воздушный транспорт. Двигатели самолетов выбрасывают альдегиды, 3,4-бензпирен, бензол и его гомологи. Вредное воздействие на гидросферу оказывают продукты нефтехимических предприятий, сырая нефть, перевозимая танкерами. Исследования в Атлантическом океане и шельфовых вод Европы и Америки показывают, что уровень загрязнения в открытом океане в два - 3 раза меньше, чем в прибрежных водах, где пленка из нефти удерживается более длительное время. 1 т нефти способна покрыть тонкой пленкой поверхность водного массива площадью 1200га.
С другой стороны, в различных отраслях промышленности используется огромное количество новых соединений, отсутствующих в природе. Ежегодно их синтезируется в более 250 тыс., из них около находят промышленное применение, и может попасть в окружающую среду. По данным Всемирной организации здравоохранения, среди химических соединений, которые в промышленном масштабе, примерно 40 тыс. вредны человека. Процесс загрязнения окружающей среды несвойственной ей веществами, который ранее носил локальный характер, в последнее время принял глобальные масштабы. Особенно загрязнение окружающей среды такими несвойственными биосфере элементами, как свинец, ртуть, кадмий. Мощность техногенного воздействия на живую природу достигла такого уровня, что возникла опасность необратимых изменений счет нарушения слагавшихся в течение миллионов лет природных динамических равновесий. Даже загрязнение окружающей среды такими присущими природных круговоротов веществами, как нитраты, соли аммония, фосфаты, достигло на значительных участках земной поверхности концентраций, в которых природные механизмы оказываются недостаточными для плавного включения этих веществ в круговорот. Через войну, например, во многих крупных водоемах земного шара произошло резкое изменение в экосистемах, что привело к большому обеднение видами живых организмов.
Какой же выход видит наука, в частности химия, из этого экологического кризиса? Ведь химизация промышленного и сельского хозяйства грозит не разрушению всего живого, а, наоборот, предлагает пути решения проблем современности. Ту часть, которую уровень развития науки и техники нельзя использовать, необходимо обезвредить. Уже сегодня промышленные объекты имеют очистные сооружения для сточных вод, газо - и пылеулавливающие устройства, внедряются в замкнутые системы водоснабжения, малоотходные технологические системы. Ради чистоты воздуха и жидкостей вредных примесей химики-технологи применяют абсорбционные, адсорбционные и каталитические методы. При абсорбции вредных веществ происходит их растворение во всем объеме поглотителя или химическое взаимодействие в абсорбционной жидкости (чаще всего в воде) с реагентом. Процесс адсорбции основывается на способности некоторых мелкопористых веществ (уголь, силикагель) поглощать растворенные или газообразные вещества своей поверхностью.
Сульфат кальция применяется в сернокислотном производстве и строительстве. Известняк, точнее, раствор карбоната кальция для улавливания оксида серы (IV) применяется на ТЭС. К сожалению, это решает экологической проблемы полностью, поскольку образуются отходы как сульфата кальция, идет просто отвал. С другой стороны, расходы строительство сероулавливающих установок нынешних ТЭС составляют 50% стоимости всей станции.
Значительное внимание химики-технологи уделяют производству новых химических средств защиты растений, полностью разлагающихся в течение нескольких недель, или даже часов после их внесения на поля. Синтетические мытья, произведенных в нашей стране, в сточных водах разрушаются биологическим путем до безвредных продуктов. Экологической химией разрабатываются отдельные промышленные производства по схеме биоценозов, в которых виды живых организмов связаны между собой, следовательно, нет " выпадения " из круговорота химических элементов или веществ: отходы одного предприятия служат сырьем другого. Создаются системы комплексного производства путем территориального да функционального объединения производств, использующих разные стороны используемого сырья.
В решении экологической проблемы химики работают в тесном сотрудничестве с биологами, физиками, географами, применяя математическое моделирование и кибернетику.

Контроль знаний:

1.Напишите сообщение об уровне загрязненности своего города. 2. Какие последствия парникового эффекта? 3. Напишите сообщение об альтернативных источниках энергии. 5. Какие промышленные объекты наиболее проблемные для окружающей среды?

6. Можно ли промышленные отходы использовать как вторсырьё? Приведите примеры.

7.Проследите цепочку: нефть – полиэтилен. Какие промежуточные продукты необходимо получить?

8. Соберите информацию о техногенных авариях, произошедших в конце XX – начале XXIв. и ставших причиной загрязнения окружающей среды и последствиях.

Литература:

6л.Химия (учебник), 10-11 кл.

Домбровський А.В., Лукашова Н.І.

Освита

Приложение 1:

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

Основные учебники и учебные пособия
1.Химия (учебник), 10 кл.	Ярошенко О.	Грамота
2.Химия (учебник), 9 кл.	Буринская Н.М., Величко Л.П.	Перун	2005, 2006
3.Химия (учебник), 10 кл.	Буринская Н.М., Величко Л.П.	Перун	2005, 2006
4.Химия (учебник), 11 кл.	Буринская Н.М., Величко Л.П.	Перун
5.Органическая химия (учебник для классов (школ) химических профилей и с углубленным изучением), 10-11 кл.	Боечко Ф.Ф., Найдан В.М., Грабовый А.К.	Высшая школа
6.Химия (учебник), 10-11 кл.	Домбровський А.В., Лукашова Н.І., Лукашов С.М.	Освита
	Дополнительные учебники и учебные пособия
	Основы агрохимии (учебник для специализированных классов агрохимического профиля), 10-11 кл.	Гладюк М.М.	Перун
	Тренировочные тесты по химии	Титаренко Н.В.	Генеза
	Практический справочник по химии, 9-11 кл.	Исаенко Ю.В.,Гога С.Т.	Весна
	Основы химического анализа (учебное пособие), 10-11 кл.	Романова Н.В.	Перун
	Сборник задач по химии с примерами решения 7-12 кл.	Романишина Л.М. и др..	БОГДАН
	Химия. Тесты, 8-11кл.	Курмакова И.М.	Академия
	Химия. Тесты, 11кл.	Курмакова И.М. и др.	Академия
	Тематическое оценивание по химии (пособие), 10-11 кл.	Дехтяренко С.Г., Хандожко И.М.	ЛІПС
	преподавания химии в общеобразовательных учебных заведениях, 10-11 кл.	Буринская Н.М., Величко Л.П.	Перун
	1001 задача по химии с ответами, 8-11 кл.	Слета Л.О., Чорний А.В.,	Ранок
	Тетрадь для лабораторных исследований и практических работ, 11 кл.	Тарас Н.И., Мартинюк Л.О.	Мандривец

Информационные ресурсы:

1. https://uk.wikipedia.org/wiki/

2. https://www.rozumniki.ua/

3. https://shkola.ua/book/view/43

4. Образовательная сеть по химии https://katalog.iot.ru/?cat=36

5. https://ostriv.in.ua/

6. https://interneturok.ru/ru/besplatnye-otkrytye-video-uroki-smotret-onlayn-videouchebnik

7. https://chemistry-chemists.com/Video.html

8. https://paramitacenter.ru/content/video-uroki

9. https://rutv.ru/brand/show/id/5111