Тема: Роль химии в решении сырьевой, продовольственной, энергетической и экологической проблем
1. Введение.
В наши дни, когда человеческое развитие достигло высот, такие проблемы, как экология, продовольствие, энергия заставляют задуматься о будующем.
Как мне кажется, эта тема наиболее актуальна сейчас и поэтому я выбрал её.
Энергия - "двигатель" развития человечества. Поэтому проблема сырья, как основного источника энергии должна решаться в первую очередь. В основе её решения лежит рациональное использование природных ископаемых, вторичная переработка,использование побочных продуктов производства, таких как углеводороды, CO, SO2, NOx,... Эти же мероприятия, на мой взгляд, будут способствовать улучшениюэкологической обстановки на нашей планете.
Для решения этих проблем химия объединяется с биологией, геологией, физикой, кибернетикой, и другими науками.С помощью этого объединения, во главе с химией, можно решить, на мой взгляд, практически все эти проблемы. Начну, как я уже говорил, с самой важной проблемы - проблемы сырья.
2.Химия в решении сырьевой проблемы.
С начала XVI в. из недр Земли было извлечено 50 млрд.т углерода, 2 млрд.т железа, 20 млн т меди, 20 тыс. т золота.За последние 30 лет цветных и редких металлов добыто больше,чем за всю предыдущую историю.
Превращение сырья в более ценные химические вещества,создание из них материалов, нужных человеку, является главной целью любого химического производства. Потребность в них удваивается каждые 11 лет.Переработка сырья химическими способами требует от 10 до 20 млрд. т в год основного окислителя - кислорода, кроме того, 2.5 млрд. т угля как топлива и столько же нефти. Из этих примеров видно, каких масштабов достигло потребление сырья промышленными предприятиями.
Сегодня понятно всем, что кладовая Земли не бездонна.И если необходимые (необходимое используется, а остальное идёт в отходы !) и легко доступные (доступное сегодня !) полезные ископаемые извлекать так же, как и это делалось и в начале века, то они быстро иссякнут. Конечно, мы знаем, что ничто из ничего не возникает и не исчезает бесследно, т. е. использованные вещества, материалы, отслужив свой век, разлагаются, распадаются, но ведь химические элементы, из которых они состоят,рассеиваются в биосфере. Задача состоят в том, чтобы устранить эти потери.
Какие же пути решения сырьевой проблемы намечены на данном этапе научно-технического прогресса и в перспективе?
Для сохранения природных ресурсов у человечества в будущем есть только один выход: замкнуть цикл обмена веществ, перейдя от технологии геохимически открытой системы к технологии геохимически замкнутого цикла. Живая природа - это "безотходное производство". Отходы какого-то вида жизнедеятельности в природе экосистеме утилизируется либо в ней самой,либо в связанных с ней системах. Лишь какое-то количество веществ (главным образом, минерализированных), для которых в данный момент нет потребления, "складируются" в виде известняка, торфа, угля, растворённых в природных водах солей и т. д.,
участвуя лишь в геологическом круговороте веществ.
Химизация производства по технологии замкнутого цикла позволяет использовать все вещества, изымаемые из природы, по различным направлениям.Иллюстрацией может служить один из самых старых примеров - коксохимическое производство, при котором из каменного угля получают кокс, горючий газ и другие продукты сухой перегонки. В настоящие время такая же задача ставится в отношении переработки других видов сырья, например леса.
Нефть из Северного моря давно является сырьём для промышленности европейских стран.Ведутся разработки шельфов Северной Америки. Сейчас начата добыча серы со дна Мексиканского залива.В России работают старейшие шельфовые месторождения нефти и газа на Каспии.
В рамках общей задачи освоения и рационального использования Мирового океана химики ведут поиски путей извлечения из морской воды ценных элементов.Общие запасы некоторых из них в океане оцениваются следующими значениями (в т): фтора - 2*1012,иода -93*109,
цинка - 16*109, олова,свинца,ртути - 50*106,золота - 6*106.
Поверхностные залежи полезных ископаемых стремительно вырабатываются, угольные комбайны всё глубже и глубже вгрызаются в пласты, бурение в поисках нефти и газа ведётся уже на отметке 15 км. Современные шахты Донбасса имеют глубину 800 - 1500 м.
В содружестве с химией и другими науками развивается новая отрасль знаний о методах и средствах бесшахтной добычи сырья и о создании искусственных месторождений - геотехнология.В чём же её новизна? К подземному пласту, содержащему, например, уран, цинк, или другие металлы, через пробуренную скважину подводится химический растворитель или окислитель. Под землёй происходит химико-физический процесс растворения, и насыщенная ценными компонентами жидкость выкачивается на поверхность, где и перерабатывается химическими методами.Такой способ подземного выщелачивания позволяет резко увеличить эффективность эксплуатации минеральных ресурсов.
Современная наука считает весьма перспективным применение микроорганизмов.Новая отрасль - биометаллургия - базируется на закономерностях биохимических процессов. При этом не требуется сложное оборудование, столь необходимое для пирометаллургии, расходуется меньше энергии. Метод использования микроорганизмов давно уже применяется в России, США, Канаде, Австралии для восстановления серебра, меди, никеля,свинца, урана и цинка.
Микроорганизмы с немалым успехом трудятся и в горнодобывающей промышленности, косвенно помогая ускорить и обезопасить подземные выработки угля. Накапливающийся газ метан в угольных шахтах, смешиваясь с воздухом, образует взрывоопасную смесь. На вентиляцию забоев расходуется огромное количество электроэнергии. Но не всегда даже мощные установки успевают удалить опасные скопления метана. Теперь на некоторых шахтах через пробуренные скважины в забои к пластам угля подводят метаноокисляющие бактерии в виде заранее приготовленной суспензии. Бактерии поглощают до 60% метана, освобождают от него пласт ещё до начала его разработки.
Химики создают новые материал, основываясь на знаниях физико-химических свойств природных вещесттв и геохимических закономерностей их образования и строения.
Нарастает дефицит углеводородного сырья, а поэтому проблема использования нефти, угля и газаа в качестве сырья ,а не топлива имеет сегодня первостепенную задачу. Современному человеку трудно представить, что почти 200 лет тому назад нефть использовали лишь как смазку для колёс повозок, как лекарство и горючие для светильников. Потребление нефти сегодня составляет более 4 млрд.т, а в 2000г. будет потреблятся 6-7 млрд. т. Нефтеперерабатывающие предприятия производят непредельные и ароматические углеводороды (этилен, толуол, ксилол) и газовые смеси оксида углерода (II) с водородом. Из них синтезируют десятки тысяч других полезных материалов. Из природного газа получают ацетилен, муравьиный альдегид, метанол, сажу, сероуглерод, водород, синильную кислоту и др. Уголь служит источником органических веществ. Возможно,что в дальнейшем все углеводородное сырьё пойдёт на синтез разнообразных материалов. Топливом же будет служить ядерное горючее или какой-либо другой вид топлива.Это одно из решений сырьевой и энергетической проблем.
3.Продовольственная проблема и химия.
Население нашей планеты растёт. По прогнозам ООН к 2000г. оно составит около 6,5 млрд. человек и будет, естественно, увеличиваться в последующие десятилетия. Это значит, что уже сейчас необходимо задуматься над тем, как обеспечить население Земли питанием в предвидимом будущем.Расчёты учёных приводят к выводу, что проблема будет решена, если за ближайшие 40 - 50 лет мировое производство продуктов питания возрастёт в 3 - 4 раза.Подобный прирост может быть осуществлён только в том случае, если произойдёт "зелёная революция" - резкий подъём сельского хозяйства, прежде всего в развивающихся странах, на базе внедрения всех достижений современной науки, в том числе химии.
Есть ли основания верить в возможность такой "зелёной революции"? Учёные отвечают на этот вопрос определённо: да,можно. Модернизированное сельское хозяйство с помощью своих могучих союзниц - химии и биологии - без труда может прокормить более 6,5 млрд. человек.
В решении продовольственной проблемы в глобальном масштабе основной акцент делается на увеличение производства растительной и животной пищи естественного происхождения. Увеличение же объёма производства пищи естественного производства, по мнению специалистов, будет в ближайшем будующем достигаться за счёт создания благоприятных условий для размножения и роста растений и животных. Сюда относится в первую очередь применение удобрений, а затем стимуляторов роста, искусственных кормов для сельскохозяйственных животных, средств защиты растений и животных, введение в практику питания новых продуктов, добытых в океане, и т. д.
Начнём с удобрений.Без них немыслимо современное сельское хозяйство. Один из главных элементов вводимых в почву в составе минеральных удобрений, - азот. Если водород, кислород, углерод доставляются растениям с водой и углекислым газам, то азот, без которого невозможен синтез аминокислот и, следовательно, белка, поступает в растения через корневую сиёстему в виде нитратов и иона аммония, которых обычно в почве не хватает. Поэтому производство азотных удобрений - это одна из мощнейших отраслей химической промышленности сегодняшнего дня.Бо'льшую их часть получают из аммиака, который в свою очередь синтезируют из водорода и азота в присутствии катализаторов при температуре от 400 до 500оС и высоком давлении - от 20 до 30 МПа: 3Н2+N2 -2NH3 -112 кДж.
Пока, однако, сельскому хозяйству требуются огромные количества азотных удобрений: аммиака и производимых из него сульфата, карбоната и нитрата аммония, а также мочевины.Аммиак - это самое концентрированное азотное удобрение (содержит более 80% азота). В настоящие время он является одним из главных продуктов большой химии. В 1980 г.во всём мире было полученно 100 млн. т азота в виде аммиака.