Задание26. Химическаялаборатория. Понятие о металлургии. Химическое загрязнение окружающей среды.Полимеры
Правилабезопасной работы в школьной лаборатории.
Лабораторнаяпосуда и оборудование
· Правилаработы в лаборатории
Припроведении работ в химической лаборатории обязательно соблюдение правил техникибезопасности. Перечислим основные из них:
Во времяработы в лаборатории необходимо соблюдать чистоту, тишину, порядок и правилатехники безопасности, так как поспешность и небрежность часто приводят кнесчастным случаям с тяжелыми последствиями.
В каждойлаборатории обязательно должны быть защитные маски, очки.
В каждомпомещении лаборатории необходимо иметь средства противопожарной защиты: ящик спросеянным песком и совком для него, противопожарное одеяло (асбестовое илитолстое войлочное), заряженные огнетушители.
Каждыйработающий в лаборатории должен знать, где находятся средства противопожарнойзащиты и аптечка, содержащая все необходимое для оказания первой помощи.
На посуде,где хранятся реактивы, должны быть этикетки с указанием названий веществ.
Категорическизапрещается в лаборатории принимать пищу или класть продукты на рабочий стол.
Опытынужно проводить только в чистой химической посуде. После окончания экспериментапосуду сразу же следует помыть.
В процессеработы необходимо следить, чтобы вещества не попадали на лицо и руки, так какмногие из них вызывают раздражение кожи и слизистых оболочек.
Вещества влаборатории нельзя пробовать на вкус. Нюхать вещества можно, лишь осторожно направляяна себя пары или газы легким движением руки, а не наклоняясь к сосуду и невдыхая полной грудью.
Сосуды свеществами или растворами необходимо брать одной рукой за горлышко, а другой —снизу поддерживать за дно.
Во времянагревания жидких и твердых веществ в пробирках и колбах нельзя направлять ихотверстия на себя и окружающих. Нельзя заглядывать сверху в открытыенагреваемые сосуды во избежание возможного поражения при выбросе горячей массы.
Категорическизапрещается выливать в раковины концентрированные растворы кислот и щелочей, атакже различные органические растворители, сильно пахнущие и огнеопасныевещества. Все эти отходы нужно сливать в специальные бутыли.
· Правилабезопасности при работе с едкими, горючими и токсичными веществами, средствамибытовой химии
Дляускорения растворения твердых веществ в пробирке нельзя закрывать ее отверстиепальцем при встряхивании.
Растворениещелочи следует производить в фарфоровой посуде путем прибавления к воденебольших порций вещества, при непрерывном перемешивании.
Пролитуюкислоту или щелочь следует засыпать чистым сухим песком и перемешивать его дополного впитывания всей жидкости. Влажный песок убрать совком в широкийстеклянный сосуд для последующей промывки и нейтрализации.
Растворыиз реактивных склянок необходимо наливать так, чтобы при наклоне этикеткаоказывалась сверху (этикетка — в ладонь). При попадании на кожу растворовщелочей или кислот необходимо смыть их после стряхивания видимых капель сильнойструей холодной воды, а затем обработать нейтрализующим раствором (2%-нымраствором уксусной кислоты или 2%-ным раствором гидрокарбоната натрия) иополоснуть водой.
· Лабораторнаяпосуда и оборудование
Лабораторнаяпосуда —это специальные и специализированные емкости различного конструктивногоисполнения, объема, изготовляемые из разнообразных материалов (стекла,фарфора), устойчивых в агрессивных средах, обладающие термостойкостью.
Привыполнении опытов используется такая лабораторная посуда: стеклянные пластинкии палочки, выпарительные фарфоровые чаши, пробирки, химические стаканы,плоскодонные и конические колбы, банки, склянки с пипеткой, воронки, мерныецилиндры и стаканы, капельницы и U-образные трубки.
Стеклянныепробирки предназначеныдля работы с малыми объемами веществ. При работе с пробирками следует соблюдатьследующие правила:
Запрещаетсявстряхивать пробирку, закрывая отверстие пальцем. Попадание любых химическихвеществ на незащищенные участки кожи может быть опасным, а в пробирку при этоммогут попасть сторонние вещества, влияющие на ход эксперимента.
Перемешиватьрастворы в пробирке следует быстрыми энергичными постукиваниями по стенкампробирки.
При работес большими объемами веществ используются химические колбы и стаканы.При работе с ними следует также придерживаться определенных правил:
Содержимоеколбы следует перемешивать круговыми движениями, а содержимое стакана —стеклянной палочкой, надев на ее конец отрезок резиновой трубки, чтобы неповредить стенку стакана.
Припереливании жидкостей из сосудов с широким горлышком в сосуды с узким горлышкомследует использовать химические воронки.
Дляфильтрования веществ также используются химические воронки ифильтровальная бумага. Бумажный фильтр вкладывается в воронку и смачиваетсяводой для плотного прилегания к стенкам воронки.
Жидкостьследует выливать на фильтр тонкой струей по стеклянной палочке, направляяпалочку на стенки воронки. При такой работе осадок останется на фильтре и непопадет в фильтрат.
Длявыпаривания растворов используются фарфоровые выпаривательные чаши,которые устанавливаются на кольце химического штатива и нагреваются надпламенем спиртовки.
Приполучении в ходе химических опытов газов используют колбы илипробирки с плотно подогнанными пробками и газоотводными трубками.Перед использованием посуду стоит проверить на герметичность: кончикгазоотводной трубки опустить в стакан с водой, а пробирку плотно обхватитьладонью. Тепло ладони будет способствовать расширению воздуха в пробирке иликолбе. При условии герметичности из газоотводной трубки в воду будут выходитьпузырьки воздуха.
Длязакрепления химической посуды используется лабораторный штатив.
Лабораторныйштатив состоит из массивной металлической подставки, в которую ввинченстержень. На стержне укреплены лапка и кольцо. С помощью муфты лапку и кольцоможно перемещать по стрежню, регулируя высоту их закрепления на штативе.Закрепляется положение муфты и кольца винтами. Пробирки и колбы укрепляются влапке в вертикальном положении отверстием вверх, закрепляются возле отверстия.Не следует слишком крепко зажимать в лапке химическую посуду, иначе она можетлопнуть при нагревании.
Длянагревания веществ используются нагревательные приборы — спиртовка игорелка.
Спиртовкасостоит из сосуда, в который налит спирт (не менее 2/3 объема резервуара), фитиля,укрепленного в металлической трубке с диском, и колпачка. Перед началом работысо спиртовки следует снять колпачок, затем проверить, плотно ли прилегает дискк отверстию сосуда (отверстие должно быть закрыто полностью, иначе спирт всосуде может вспыхнуть). Поджигать спиртовку следует только горящей спичкой.
Газоваягорелка состоит из металлической трубки с двумя круглыми отверстиями внизу,расположенными друг напротив друга. Трубка ввинчена в металлическую подставку,имеющую боковую трубку с надетым на нее шлангом, который соединяется с газовымкраном. Газ, поступая в горелку, смешивается с воздухом, поступающим черезбоковые отверстия. Горелку также следует зажигать только горящей спичкой.
Пламяимеет три зоны. Нижняя зона (темная) — самая холодная. Затем средняя — наиболееяркая и верхняя — зона самой высокой температуры. Нагревать посуду припроведении химических опытов следует в верхней зоне пламени.
· Правилабезопасности при работе с едкими, горючими и токсичными веществами, средствамибытовой химии
Приразбавлении кислот водой помните: наливают кислоту медленно, при перемешивании,в воду, а не наоборот.
Кусочкищелочи можно брать только пинцетом или щипцами. Растворяют щелочь в фарфоровойпосуде, прибавляя к воде небольшие порции вещества при помешивании.
Пролитыекислоту или щелочь следует засыпать чистым сухим песком и перемешать его дополного впитывания жидкости. Влажный песок убирают совком в широкий стеклянныйсосуд для последующей промывки и нейтрализации.
При попаданиина кожу раствора кислоты необходимо стряхнуть капли, обмыть кожу сильной струейхолодной воды, обработать 3%-ным содовым раствором и смазать вазелином.
Работы,связанные с выделением вредных паров или газов, проводить только в вытяжномшкафу при включенной вентиляции.
Припопадании на кожу раствора щелочи необходимо стряхнуть капли, смыть сильнойструей холодной воды, обработать 1%-ным раствором уксусной кислоты.
Внимательночитайте инструкцию и неукоснительно соблюдайте правила обращения с любым средствомбытовой химии.
Неукоснительноследуйте инструкции, касающейся срока годности любого препарата, особенно еслиэто лекарства.
Научныеметоды исследования химических веществ и превращений
Весьокружающий нас мир, все существующее — это материя, которая проявляется в двухформах: вещества и поля. Вещество состоит из частиц, имеющих собственную массу,например, атомов, молекул, ионов. Поле — это такая форма существования материи,которая, в первую очередь, характеризуется энергией, посредством поля осуществляетсявзаимодействие между частицами.
Неотъемлемымсвойством материи является движение. Формы движения материи изучаются разнымиестественными науками: физикой, химией, биологией и др.
Химияимеет дело прежде всего с веществами, их свойствами, взаимными превращениями ипроцессами, сопровождающими эти превращения.
Химия —фундаментальная наука об одной из основных форм движения материи — химической.
Приизучении химии, как и других естественных дисциплин, широко используют такойважнейший метод по знания, как наблюдение.
Наблюдение — этоцеленаправленное восприятие химических объектов (веществ и их свойств) с цельюих изучения.
Для тогочтобы наблюдение было плодотворным, необходимо соблюдать ряд условий:
Нужночетко определить предмет наблюдения, т.е. то, на что будет обращено вниманиенаблюдателя, — конкретное вещество, его свойства, то или иное превращениевещества и т.д.
Необходимознать, зачем проводится наблюдение, т.е. четко сформулировать его цель.
Нужносоставить план наблюдения. А для этого следует выдвинуть гипотезу о том, какбудет происходить наблюдаемое явление. Гипотеза может быть выдвинута и врезультате наблюдения, когда получен какой-то результат, который нужнообъяснить.
Научноенаблюдение отличается от наблюдения в житейском смысле этого слова. Какправило, научное наблюдение проводится в строго контролируемых условиях, причемусловия эти можно изменять по желанию наблюдателя. Чаще всего такое наблюдениепроводится в специальном помещении — лаборатории.
Исследования,которые проводятся в строго контролируемых и управляемых условиях,называют экспериментом.
Экспериментпозволяет подтвердить или опровергнуть гипотезу. Так формулируется вывод.
Некоторыенаблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе, поэтомув изучении химии большую роль играет моделирование.
Влабораторных условиях используют особые приборы, установки и предметы — модели,в которых копируются только самые важные, существенные признаки и свойстваобъектов изучения.
Моделирование —это изучение объекта с помощью по строения и изучения моделей, т.е. егозаменителей или аналогов.
Условнохимические модели можно разделить на две группы: предметные (модели атомов,молекул, кристаллов, химических установок и т.д.) и знаковые, или символьные(символы химических элементов, формулы веществ, уравнения реакций).
А чтоизучает химия? Химия — это наука о веществах, их свойствах и превращениях.
Вещество — это то,из чего состоят физические тела.
В жизни,как правило, мы встречаемся не с чистыми веществами, а со смесями веществ. Этисмеси могут быть неоднородными (например, мутная речная водасодержит в себе нерастворимые частицы песка и глины, которые видныневооруженным глазом) и однородными (растворы спирта, сахара),в которых нельзя заметить границу раздела между веществами.
Средиоднородных смесей можно выделить жидкие, твердые и газообразные.Важнейшая газообразная смесь — воздух — представляет собойсмесь азота, кислорода, углекислого газа, аргона и других веществ. К твердым смесямможно отнести стекло и различные сплавы — сталь, бронзу, латунь и др.
Составсмесей может быть самым разнообразным, и они, в отличие от чистых веществ,имеют другие свойства. Так, чистая вода замерзает при 0°С, а еслирастворить в ней поваренную соль, то можно добиться значительного понижениятемпературы замерзания.
Составсмесей устанавливают с помощью химического анализа. Химическийанализ применяется очень широко, он необходим при решении важнейшиххозяйственных и научно-технических задач. Проведение анализа стали по ходу еевыплавки (например, определение содержания углерода) — обязательное условиеуспешного проведения металлургического процесса.
Безопределения концентрации примесей, загрязняющих воду и воздух, невозможенконтроль за состоянием окружающей среды. Химический анализ горных пород и рудиспользуется при разведке полезных ископаемых. С помощью особых методов сприменением химического анализа получают особо чистые вещества, вкоторых содержание примесей, влияющих на их специфические свойства, непревышает одной стотысячной и даже одной миллионной процента. Эти веществаиграют важную роль в атомной энергетике, полупроводниковой промышленности,волоконной оптике. Свойства особо чистых веществ используются для созданияпринципиально новых приборов или технологических процессов.
Понятие ометаллургии: общие способы получения металлов
Значительнаяхимическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другиминеметаллами, водой, растворами солей, кислотами) приводит к тому, что в земнойкоре они встречаются главным образом в виде соединений: оксидов, сульфидов,сульфатов, хлоридов, карбонатов.
Всвободном виде встречаются металлы, расположенные в ряду напряжений правееводорода (Ag,Hg,Pt,Au,Cu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можновстретить в виде соединений.
Минералы ичерные породы, содержащие металлы и их соединения, из которых выделение чистыхметаллов технически возможно и экономически целесообразно, называют рудами.
Получениеметаллов из руд — задача металлургии.
Металлургия —это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасльпромышленности.
Любойметаллургический процесс — это процесс восстановления ионов металла с помощьюразличных восстановителей. Суть его можно выразить так:
Чтобыреализовать этот процесс, надо учесть активность металла, подобратьвосстановитель, рассмотреть технологическую целесообразность, экономические иэкологические факторы. В соответствии с этим существуют следующие способыполучения металлов: пирометаллургический, гидрометаллургический,электрометаллургический.
Пирометаллургия —восстановление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода,оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.
Например,олово восстанавливают из касситерита SnO2, а медь — изкуприта Cu2O прокаливанием с углем (коксом):
SnO2+2C=Sn+2CO↑,
Cu2O+C=2Cu+CO↑.
Сульфидныеруды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученныйоксид восстанавливают углем:
Изкарбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т.к.карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последниевосстанавливаются углем:
Восстановлениемуглем можно получить Fe,Cu,Zn,Cd,Ge,Sn,Pb и другие металлы, необразующие прочных карбидов (соединений с углеродом).
В качествевосстановителя можно применять водород (а) или активные металлы (б):
а) MoO3+3H2=Mo+3H2O (водородотермия).
Кдостоинствам этого метода относится получение очень чистого металла.
б) TiO2+2Mg=Ti+2MgO (магниотермия),
3MnO2+4Al=3Mn+2Al2O3 (алюминотермия).
Чаще всегов металлотермии используют алюминий, теплота образования оксида которого оченьвелика (2Al+1.5O2=Al2O3+1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряженийметаллов нельзя использовать для определения возможности протекания реакцийвосстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возможность этогопроцесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), знаязначения теплот образования оксидов:
Q=∑Q1−∑Q2,
где Q1 —теплота образования продукта, Q2 — теплота образования исходноговещества.
Гидрометаллургия —это восстановление металлов из их солей в растворе. Процесс проходит в дваэтапа: 1) природное соединение растворяют в подходящем реагенте для полученияраствора соли этого металла; 2) из полученного раствора данный металл вытесняютболее активным или восстанавливают электролизом. Например, чтобы получить медьиз руды, содержащей оксид меди CuO, ее обрабатывают разбавленной сернойкислотой:
CuO+H2SO4=CuSO4+H2O.
Затем медьлибо извлекают из раствора соли электролизом, либо вытесняют из сульфатажелезом:
CuSO4+Fe=Cu+FeSO4.
Электрометаллургия —восстановление металлов в процессе электролиза растворов или расплавов ихсоединений.
Производствоаммиака и метанола
Основныестадии химического производства
I.Подготовка сырья и подвод реагирующих веществ в зону реакции.
II.Химические процессы.
III. Отводпродуктов и непрореагировавших веществ из зоны реакции.
Сравнимдва химических производства: синтез аммиака и синтез метанола. Оба процессаочень похожи по условиям их проведения и источникам сырья. Их осуществляют нааналогичных установках, которые часто монтируют на одном предприятии.
Всеаппараты этих производств максимально герметичны, используется только энергияэкзотермических реакций. Благодаря циклической (замкнутой) схеме синтеза этипроизводства служат примерами малоотходных, почти не имеющих выбросов вокружающую среду. Затраты на производство существенно снижены за счетосуществления непрерывного процесса: исходные вещества постоянно поступают вреактор, а продукты постоянно из него выводятся. Непрерывность процессапозволяет его полностью автоматизировать.
Производствааммиака и метанола считаются наиболее передовыми с точки зрения химическойтехнологии.
Аммиак вдальнейшем используют для получения азотной кислоты, которая идет напроизводство удобрений, лекарств, красителей, пластмасс, искусственных волокон,взрывчатых веществ. Большие количества аммиака расходуются на получениемочевины, являющейся прекрасным азотным удобрением, да и сам жидкий аммиак иего водный раствор — это жидкие удобрения. На легком сжижении и последующемиспарении с поглощением теплоты основано его применение в холодильныхустановках.
Метанолиспользуют для получения большого количества разных органических веществ, в
В частности,формальдегида и метилметакрилата,
которыеиспользуют в производстве фенолформальдегидных смол и полиметилметакрилата(органическое стекло) соответственно. Помимо этого, метанол используют какрастворитель, экстрагент, а в ряде стран — в качестве моторного топлива, т. к.его добавление к бензину повышает октановое число топлива и снижает количествовредных веществ в выхлопных газах.
Общиенаучные принципы химического производства (на примере промышленного полученияаммиака, серной кислоты, метанола). Промышленное получение веществ и охранаокружающей среды
Химическаяпромышленность и химическая технология
Многиехимические реакции, с которыми вы познакомились в лабораторных условиях, илианалогичные им осуществляют в промышленных условиях при производстве важнейшейдля повседневной жизни химической продукции.
Пластмассы,синтетические волокна, фармацевтические препараты, удобрения, мыла и моющиесредства, красители, пестициды, косметика и парфюмерные изделия и дажекомпоненты пищи — все это только некоторые виды продукции, выпуск которойполностью или частично зависит от химической промышленности. Одиннадцать первыхмест по объему производства принадлежат следующим химическимвеществам: H2SO4,NH3,N2,CaO,O2,C2H4,NaOH,Cl2,HCl,H3PO4,HNO3. Эти-то веществаи используются в больших количествах далее для получения столь необходимыхвидов продукции, названных выше.
Даже еслиречь идет о 100%-ном природном продукте, это означает лишь то, что в немнет синтетических добавок, и совсем не означает, что при его получении неиспользовали какие-либо химические технологии.
Химическаяпромышленность — это отрасль народного хозяйства, производящаяпродукцию на основе химической переработки сырья.
Основой ееявляется химическая технология — наука о наиболее экономичныхметодах и средствах массовой химической переработки природных материалов(сырья) в продукты потребления и промежуточные продукты, применяемые вразличных отраслях народного хозяйства. Главная задача химии и химическойтехнологии — производство разнообразных веществ и материалов с определеннымкомплексом механических, физических, химических и биологических свойств.
Любоехимическое производство создается на основе общих научных принципов.
Научныепринципы организации химических производств.
|
Общие принципы |
Частные принципы |
|
Создание оптимальных условий проведения химических реакций |
Противоток веществ, прямоток веществ, увеличение площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ, использование катализатора, повышение давления, повышение концентрации реагирующих веществ |
|
Полное и комплексное использование сырья |
Циркуляция, создание смежных производств (по переработке отходов) |
|
Использование теплоты химических реакций |
Теплообмен, утилизация теплоты реакции |
|
Принцип непрерывности |
Механизация и автоматизация производства |
|
Защита окружающей среды и человека |
Автоматизация вредных производств, герметизация аппаратов, утилизация отходов, нейтрализация выбросов в атмосферу |
Важнейшимисоставляющими химического производства являются:
· аппаратура;
· сырье;
· энергия;
· водаи другие вспомогательные материалы.
Сырье
Сырьемназывают природные материалы (природные ресурсы), используемые в промышленностидля получения различных продуктов и еще не прошедшие промышленную переработку.
Иногдаиспользуют вторичное сырье — это изделия, отслужившие свойсрок, или отходы каких- либо производств, которые экономически выгодно сновапереработать в химические продукты. Сырье химической промышленностиклассифицируют по различным признакам.
По составу сырьеделят на минеральное и органическое (растительное и животное).
Поагрегатному состоянию различают твердое (руды, горныепороды, твердое топливо), жидкое (нефть, рассолы) и газообразное (природный ипопутный газы, воздух) сырье.
К минеральномусырью относятся все виды руд (из них получают металлы), а также нерудныеископаемые: сера, фосфориты, калийные соли, поваренная соль, песок, глины,слюда (из них получают неметаллы, удобрения, соду, щелочи, кислоты, керамику,цемент, стекло и другие продукты).
Корганическому сырью относится ископаемое горючее: торф, уголь, нефть, природныйи попутный нефтяной газы — это ценное энергетическое сырье и сырье дляхимических синтезов. К органическому сырью также относится сырье растительногои животного происхождения, его дают сельское, лесное и рыбное хозяйства. Восновном оно используется для производства продуктов питания, но частично, ксожалению, является и техническим сырьем. Кроме природных веществ, нахимических заводах применяют полупродукты и отходы предприятий, а такжевспомогательные материалы: воду, топливо, окислители, растворители,катализаторы.
В связи сбурным развитием промышленности растет и объем потребления полезных ресурсов.Это приводит к тому, что многие сырьевые источники быстро истощаются, поэтомунеобходимо решать проблему бережного и рационального использования сырья.
Вода
Особоеместо среди природных ресурсов занимает вода. Она играет важную роль вхимической промышленности.
В рядепроизводств это сырье и реагент, непосредственно участвующий в основныххимических реакциях, например, при получении водорода, серной, азотной ифосфорной кислот, щелочей; в реакциях гидратации и гидролиза.
Будучиуниверсальным растворителем и одним из наиболее распространенных катализаторов,вода дает возможность осуществлять многие химические реакции с большойскоростью в растворах или в присутствии ее следов. В химической,металлургической, пищевой и легкой промышленности воду используют какрастворитель твердых, жидких, газообразных веществ. Часто ее применяют дляперекристаллизации, очистки различных продуктов производства от примесей.
Водаиспользуется как теплоноситель из-за ее большой теплоемкости, доступности ибезопасности в применении. Ею охлаждают реагирующие массы, нагретые врезультате экзотермических реакций. Водяным паром или горячей водой подогреваютвзаимодействующие вещества для ускорения реакций или проведения эндотермическихпроцессов.
Современныехимические комбинаты расходуют миллионы кубических метров воды в сутки.Например, для получения 1т аммиака требуется 1500м3 воды.Поэтому химические предприятия, нефтехимические заводы строят рядом с воднымиисточниками.
Задачусокращения расхода воды химическими предприятиями решают в трех основныхнаправлениях: широкое применение оборотного водоснабжения (вода, используемая втеплообменных аппаратах, охлаждается и снова поступает в теплообменныеаппараты, и так повторяется многократно), замена водяного охлаждения воздушным,очистка сточных вод и их повторное использование.
Энергия
Вы знаете,что большинство химических процессов требует затраты энергии. В химическомпроизводстве энергию также расходуют на проведение вспомогательных операций:транспортировку сырья и готовой продукции, сжатие газов, дробление твердыхвеществ, контрольно-измерительное обслуживание и др. Химическая промышленностьотносится к одной из самых энергоемких. Средний расход только электрическойэнергии на производство 1т аммиачнойселитры NH4NO3 равен 11000 кВт·ч; 1т синтетическогоаммиака — 3200; 1т фосфора — 16500; 1т алюминия— 19000.
Вхимической промышленности используют различные виды энергии: электрическую,тепловую, ядерную, химическую и световую.
Электрическуюэнергию используют для проведения электролиза расплавов и раствороввеществ, нагревания, в операциях, связанных с электростатическими явлениями(например, в электрофильтрах при производстве серной кислоты для очистки оксидасеры(IV)). Электроэнергию вырабатывают тепловые (ТЭС), атомные (АЭС)электростанции и гидроэлектростанции (ГЭС).
Тепловаяэнергия в химической промышленности необходима для нагревания реагирующихвеществ при проведении химических реакций, а также для сушки, плавления,дистилляции, выпаривания и других операций. Ее источником в производствецемента, стекла, керамики служат различные виды топлива (твердого, жидкого,газообразного). Большинство же химических предприятий используют тепловуюэнергию в виде пара, горячей воды, получаемых из котельных установок или ТЭЦ.
Ядернуюэнергию главным образом используют для получения электроэнергии. Но такиереакции, как полимеризация, синтезы фенола и анимина, отвердевание полимеров,проводят с помощью радиоактивного излучения.
Химическаяэнергия выделяется в виде теплоты в результате экзотермических реакций. Ееиспользуют для предварительного подогрева исходных веществ, получения горячейводы, водяного пара. Химическая энергия может превращаться в электрическую,например, в аккумуляторах. А есть такие производства, в которых за счет энергиихимических реакций покрывают собственные потребности, а излишки отпускаютдругим потребителям.
Приполучении 1т серной кислоты из серы выделяется 5МДж теплоты, а общиезатраты на ее производство составляют всего 0.36 МДж. Излишкипоступают к другим потребителям в виде пара и электроэнергии.
Световуюэнергию (ультрафиолетовое, инфракрасное, лазерное излучение) используютпри синтезе хлороводорода, галогенировании органических веществ, реакцияхизомеризации.
Ученыеразрабатывают способы использования солнечной энергии, например фотохимическоеразложение воды.
Химия ипроблемы охраны окружающей среды
В наши днипроблема охраны окружающей среды чрезвычайно остра в связи со значительным, ачасто и катастрофическим воздействием хозяйственной деятельности человека наприроду.
Производственнаядеятельность человека нанесла биосфере — живой оболочке Земли — серьезный урон,нарушив сложившееся за время существования планеты экологическое равновесие.Загрязнение окружающей среды в нашем сознании связывается, в первую очередь, сотравлением воды, воздуха, почвы, которое может непосредственно влиять наздоровье и самочувствие человека. Однако химическое загрязнение чреватокосвенными эффектами. Например, большие выбросы углекислого газа сказываются наклимате, что в свою очередь отражается на производстве продуктов питания;изменение концентраций биогенных элементов (азота, серы, фосфора, калия)приводит к гибели одних популяций и бурному размножению других.
Химическоезагрязнение окружающей среды обусловлено следующими факторами:
· повышениемконцентрации биогенных элементов из-за канализационных сбросов и стока с полейудобрений, вызывающих бурное развитие водорослей и нарушение баланса всуществующих экосистемах;
· отравлениемводы, почвы и воздуха отходами химических производств;
· воздействиемна воду и почву продуктов сжигания топлива, снижающих качество воздуха ивызывающих кислотные дожди;
· потенциальнымзаражением воды, воздуха и почвы радиоактивными отходами, образующимися припроизводстве ядерного оружия и атомной энергии;
· выбросамиуглекислого газа и химических веществ, снижающих содержание озона, что можетпривести к изменению климата и образованию озоновых дыр.
Природныеисточники углеводородов. Их переработка
Углеводородыявляются важнейшим видом сырья для химической промышленности. В свою очередь,углеводороды достаточно широко распространены в природе и могут быть выделеныиз различных природных источников: нефти, попутного нефтяного и природногогаза, каменного угля. Рассмотрим их подробнее.
Нефть
Этоприродная сложная смесь углеводородов, в основном алканов линейного иразветвленного строения, содержащих в молекулахот 5 до 50 атомов углерода, с другими органическимивеществами. Состав ее существенно зависит от места ее добычи (месторождения),она может, помимо алканов, содержать циклоалканы и ароматические углеводороды.
Газообразныеи твердые компоненты нефти растворены в ее жидких составляющих, что иопределяет ее агрегатное состояние.
Нефть —маслянистая жидкость темного (от бурого до черного) цвета с характернымзапахом, нерастворимая в воде. Ее плотность меньше, чем у воды, поэтому,попадая в нее, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворениюкислорода и других газов воздуха в воде. Очевидно, что, попадая в природныеводоемы, нефть вызывает гибель микроорганизмов и животных, приводя кэкологическим бедствиям и даже катастрофам.
Существуютбактерии, способные использовать компоненты нефти в качестве пищи, преобразуяее в безвредные продукты своей жизнедеятельности. Понятно, что именноиспользование культур этих бактерий — наиболее экологически безопасный иперспективный путь борьбы с загрязнением окружающей среды нефтью в процессе еедобычи, транспортировки и переработки.
В природенефть и попутный нефтяной газ заполняют полости земных недр. Представляя собойсмесь различных веществ, нефть не имеет постоянной температуры кипения.Понятно, что каждый ее компонент сохраняет в смеси свои индивидуальныефизические свойства, что и позволяет разделить нефть на ее составляющие. Дляэтого ее очищают от механических примесей, серосодержащих соединений иподвергают так называемой фракционной перегонке, или ректификации.
Фракционнаяперегонка — физический способ разделения смеси компонентов с различнымитемпературами кипения.
Перегонкаосуществляется в специальных установках — ректификационных колоннах, в которыхповторяют циклы конденсации и испарения жидких веществ, содержащихся в нефти.Пары, образующиеся при кипении смеси веществ, обогащены более легкокипящим(т.е. имеющим более низкую температуру) компонентом. Это пары собирают,конденсируют (охлаждают до температуры ниже температуры кипения) и сновадоводят до кипения. В этом случае образуются пары, еще более обогащенныелегкокипящим веществом. Многократным повторением этих циклов можно добитьсяпрактически полного разделения веществ, содержащихся в смеси.
Вректификационную колонну поступает нефть, нагретая дотемпературы 320−350°С. Ректификационная колонна имеет горизонтальныеперегородки с отверстиями — так называемые тарелки, на которых происходитконденсация фракций нефти. На более высоких скапливаются легкокипящие фракции,на нижних — высококипящие.
В процессеректификации нефть разделяют на следующие фракции:
· ректификационныегазы —смесь низкомолекулярных углеводородов, преимущественно бутана и пропана с температуройкипения до 40°С;
· газолиновуюфракцию (бензин) — углеводороды составаот С5Н12 до С11Н24 (температура кипения 40−200°С); приболее тонком разделении этой фракции получают газолин (петролейныйэфир, 40−70°С) и бензин (70−120°С);
· лигроиновуюфракцию —углеводороды состава от С8Н18 до С14Н30 (температуракипения 150−250°С);
· керосиновуюфракцию —углеводороды состава от С12Н26 до С18Н38 (температуракипения 180−300°С);
· дизельноетопливо —углеводороды состава от С13Н28 до С19Н36 (температуракипения 200−350°С).
Остатокперегонки нефти — мазут — содержит углеводороды с числом атомов углеродаот 18 до 50. Перегонкой при пониженном давлении из мазутаполучают соляровое масло (С18Н28—С25Н52), смазочные масла (С28Н58—С38Н78),вазелин и парафин — легкоплавкие смеси твердых углеводородов. Твердый остатокперегонки мазута — гудрон — и продукты его переработки — битум и асфальт —используют для изготовления дорожных покрытий.
Крекинг
Полученныев результате ректификации нефти продукты подвергают химической переработке,включающей ряд сложных процессов. Один из них — крекинг нефтепродуктов.Вы уже знаете, что мазут разделяют на компоненты при пониженном давлении. Этообъясняется тем, что при атмосферном давлении его составляющие начинаютразлагаться, не достигнув температуры кипения. Именно это и лежит в основекрекинга.
Крекинг —термическое разложение нефтепродуктов, приводящее к образованию углеводородов сменьшим числом атомов углерода в молекуле.
Различаютнесколько видов крекинга: термический, каталитический, крекинг высокогодавления, восстановительный крекинг.
Термическийкрекинг заключается в расщеплении молекул углеводородов с длиннойуглеродной цепью на более короткие под действием высокой температуры(470−550°С). В процессе этого расщепления наряду с алканами образуются алкены:
Приобычном термическом крекинге образуется много низкомолекулярных газообразныхуглеводородов, которые можно использовать как сырье для получения спиртов,карбоновых кислот, высокомолекулярных соединений (например, полиэтилена).
Каталитическийкрекинг происходит в присутствии катализаторов, в качестве которыхиспользуют природные алюмосиликаты состава nAl2O3·mSiO2.
Осуществлениекрекинга с применением катализаторов приводит к образованию углеводородов, имеющихразветвленную или замкнутую цепь атомов углерода в молекуле. Содержаниеуглеводородов такого строения в моторном топливе значительно повышает егокачество, в первую очередь, детонационную стойкость — октановое число бензина.
Крекингнефтепродуктов протекает при высоких температурах, поэтому часто образуетсянагар (сажа), загрязняющий поверхность катализатора, что резко снижает егоактивность.
Очисткаповерхности катализатора от нагара — его регенерация — основное условиепрактического осуществления каталитического крекинга. Наиболее простым идешевым способом регенерации катализатора является его обжиг, при которомпроисходит окисление нагара кислородом воздуха. Газообразные продукты окисления(в основном углекислый и сернистый газы) удаляются с поверхности катализатора.
Каталитическийкрекинг — гетерогенный процесс, в котором участвуют твердое (катализатор) игазообразные (пары углеводородов) вещества. Очевидно, что регенерациякатализатора — взаимодействие твердого нагара с кислородом воздуха — также гетерогенныйпроцесс.
Гетерогенныереакции (газ — твердое вещество) протекают быстрее при увеличении площадиповерхности твердого вещества. Поэтому катализатор измельчают, а егорегенерацию и крекинг углеводородов ведут в кипящем слое, знакомом вам по производствусерной кислоты.
Сырье длякрекинга, например, газойль, поступает в реактор конической формы. Нижняя частьреактора имеет меньший диаметр, поэтому скорость потока паров сырья оченьвысока. Движущийся с большой скоростью газ захватывает частицы катализатора иуносит их в верхнюю часть реактора, где из-за увеличения его диаметра скоростьпотока понижается. Под действием силы тяжести частицы катализатора падают внижнюю, более узкую часть реактора, откуда вновь выносятся вверх. Такимобразом, каждая крупинка катализатора находится в постоянном движении и со всехсторон омывается газообразным реагентом.
Некоторыезерна катализатора попадают во внешнюю, более широкую часть реактора и, невстречая сопротивления потока газа, опускаются в нижнюю часть, где подхватываютсяпотоком газа и уносятся в регенератор. Там также в режиме кипящего слояпроисходит обжиг катализатора и возвращение его в реактор.
Такимобразом, катализатор циркулирует между реактором и регенератором, агазообразные продукты крекинга и обжига удаляются из них.
Использованиекатализаторов крекинга позволяет несколько увеличить скорость реакции,уменьшить ее температуру, повысить качество продуктов крекинга.
Полученныеуглеводороды бензиновой фракции в основном имеют линейное строение, что приводитк невысокой детонационной устойчивости полученного бензина.
Отметим,что значительно большей детонационной стойкостью обладают углеводороды смолекулами разветвленного строения. Увеличить долю изомерных углеводородовразветвленного строения в смеси, образующейся при крекинге, можно, добавляя всистему катализаторы изомеризации.
Попутныйнефтяной газ
Месторождениянефти содержат, как правило, большие скопления так называемого попутногонефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частичнорастворяется в ней под давлением вышележащих пород. Как и нефть, попутныйнефтяной газ является ценным природным источником углеводородов. Он содержит восновном алканы, в молекулах которых от 1 до 6 атомовуглерода. Очевидно, что по составу попутный нефтяной газ значительно беднеенефти. Однако, несмотря на это, он также широко используется и в качестветоплива, и в качестве сырья для химической промышленности. Еще несколькодесятилетий назад попутный нефтяной газ сжигали как бесполезное приложениенефти. В настоящее время, например, в Сургуте — богатейшей нефтяной кладовойРоссии, вырабатывают самую дешевую в мире электроэнергию, используя как топливопопутный нефтяной газ.
Как ужеотмечалось, попутный нефтяной газ по сравнению с природным более богат посоставу различными углеводородами. Разделяя их на фракции, получают:
· газовый бензин —легколетучую смесь, состоящую в основном из пентана и гексана;
· пропано-бутановуюсмесь,состоящую, как ясно из названия, из пропана и бутана и легко переходящую вжидкое состояние при повышенном давлении;
· сухой газ —смесь, содержащую в основном метан и этан.
Газовый бензин,являясь смесью летучих компонентов с небольшой молекулярной массой, испаряетсядаже при низких температурах. Это позволяет использовать газовый бензин вкачестве топлива для двигателей внутреннего сгорания на Крайнем Севере и какдобавку к моторному топливу, облегчающую запуск двигателя в зимних условиях.
Пропано-бутановаясмесь в виде сжиженного газа применяется как бытовое топливо (знакомые вамгазовые баллоны на даче) и для заполнения зажигалок. Постепенный переводавтомобильного транспорта на сжиженный газ — один из основных путей преодоленияглобального топливного кризиса и решения экологических проблем.
Сухой газ,близкий по составу к природному, также широко используется в качестве топлива.
Однакоприменение попутного газа и его составляющих в качестве топлива — далеко несамый перспективный путь его использования.
Значительноболее эффективно использовать компоненты попутного газа в качестве сырья дляхимических производств. Из алканов, входящих в состав попутного нефтяного газа,получают водород, ацетилен, непредельные и ароматические углеводороды и ихпроизводные.
Газообразныеуглеводороды могут не только сопровождать нефть в земной коре, но иобразовывать самостоятельные скопления — месторождения природного газа.
Природный газ
Это смесьгазообразных предельных углеводородов с небольшой молекулярной массой. Основнымкомпонентом природного газа является метан, доля которого в зависимости отместорождения составляет от 75 до 99% по объему. Кромеметана, в состав природного газа входят этан, пропан, бутан и изобутан, а такжеазот и углекислый газ.
Как ипопутный нефтяной, природный газ используется и как топливо, и в качестве сырьядля получения разнообразных органических и неорганических веществ. Вы ужезнаете, что из метана, основного компонента природного газа, получают водород,ацетилен и метиловый спирт, формальдегид и муравьиную кислоту, многие другиеорганические вещества. В качестве топлива природный газ используют наэлектростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и производственныхзданий, в доменном и мартеновском производствах. Чиркая спичкой и зажигая газ вкухонной газовой плите городского дома, вы запускаете цепную реакцию окисленияалканов, входящих в состав природного газа.
Каменныйуголь
Кроменефти, природного и попутного нефтяного газов, природным источникомуглеводородов является каменный уголь. Он образует мощные пласты вземных недрах, его разведанные запасы значительно превышают запасы нефти. Как инефть, каменный уголь содержит большое количество различных органическихвеществ. Кроме органических, в его состав входят и неорганические вещества,такие, например, как вода, аммиак, сероводород и, конечно же, сам углерод —уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля являетсякоксование — прокаливание без доступа воздуха.
Врезультате коксования, которое проводят при температуре около 1000°С,образуются:
· коксовыйгаз,в состав которого входят водород, метан, угарный и углекислый газы, примесиаммиака, азота и других газов;
· каменноугольнаясмола,содержащая несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол иего гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различныегетероциклические соединения;
· надсмольная, илиаммиачная вода, содержащая, как ясно из названия, растворенный аммиак, а такжефенол, сероводород и другие вещества;
· кокс —твердый остаток коксования, практически чистый углерод.
Коксиспользуется в производстве чугуна и стали, аммиак — в производстве азотных икомбинированных удобрений, а значение органических продуктов коксования труднопереоценить.
Такимобразом, попутный нефтяной и природный газы, каменный уголь — не толькоценнейшие источники углеводородов, но и часть уникальной кладовой невосполнимыхприродных ресурсов, бережное и разумное использование которых — необходимоеусловие прогрессивного развития человеческого общества.
Высокомолекулярныесоединения.
Реакцииполимеризации и поликонденсации.
Полимеры.Пластмассы, волокна, каучуки
Еслиотносительная молекулярная масса соединения больше 10000, то такоесоединение принято называть высокомолекулярным. Большинство высокомолекулярныхсоединений — полимеры.
Полимераминазывают вещества, молекулы которых состоят из множества повторяющихсяструктурных звеньев, соединенных между собой химическими связями.
Вы ужезнаете два основных способа получения полимеров — реакции полимеризации иреакции поликонденсации.
Реакцииполимеризации
Реакцияполимеризации — это химический процесс соединения множества исходных молекулнизкомолекулярного вещества (мономера) в крупные молекулы (макромолекулы)полимера.
В реакцииполимеризации могут вступать соединения, содержащие кратные связи, т.е.непредельные соединения. Это могут быть молекулы одного мономера или разныхмономеров.
В первомслучае происходит реакция гомополимеризации — соединениемолекул одного мономера, во втором — реакция сополимеризации —соединение молекул двух и более исходных веществ.
К реакциямгомополимеризации относятся реакции получения полиэтилена, полипропилена,поливинилхлорида и т.д., например:
Выражениев скобках называют структурным звеном, а число n вформуле полимера — степенью полимеризации.
К реакциямсополимеризации относится, например, реакция получения бутадиенстирольногокаучука:
Реакцииполиконденсации
Реакцияполиконденсации — это химический процесс соединения исходных молекул мономера вмакромолекулы полимера, идущий с образованием побочного низкомолекулярногопродукта (чаще всего воды).
В реакцииполиконденсации вступают молекулы мономера с функциональными группами.
Как и вслучае полимеризации, процессы поликонденсации деляются на:
· реакциигомополиконденсации, если полимер образуется из молекул одного мономера.
Например,из молекул моносахаридов (глюкозы) в клетках растений образуются полисахариды:
а впромышленности получают синтетическое волокно энант:
· реакциисополиконденсации — если полимер образуется из молекул двух иболее исходных веществ. Например, к ним относятся синтезы белковых молекул изразных аминокислот или реакция получения фенолформальдегидных смол:
С помощьюреакции поликонденсации получают полиэфиры, полиамины, полиуретаны, полиакрил ит. д.
Пластмассы
Пластмассаминазывают материалы, изготовляемые на основе полимеров, способные приобретатьпри нагревании заданную форму и сохранять ее после охлаждения.
Какправило, пластмасса — это смесь нескольких веществ; полимер — это лишь одно изних, но самое важное. Именно он связывает все компоненты пластмассы в единое,более или менее однородное, целое. Поэтому полимер называют связующим.
Первыепластмассы получали на основе природных полимеров — производных целлюлозы,каучука и т.п. Потом в качестве связующих стали применять и синтетическиеполимеры — фенолформальдегидные смолы, полиэфиры.
Понятно,что превращать в готовые изделия удобнее те пластмассы, которые обратимотвердеют и размягчаются. Это так называемые термопласты, или термопластичныеполимеры. Их можно рационально обрабатывать и перерабатывать методом литьяпод давлением, вакуумной формовки, профильным прессованием. К таким пластмассамотносятся полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамиды.
Если же впроцессе формования изделия происходит сшивка макромолекул и полимер, твердея,приобретает сетчатое строение, то это вещество уже нельзя возвратить ввязко-текучее состояние нагреванием или растворением. Такие пластмассыназывают реактопластами, или термореактивными полимерами.К ним относятся фенолформальдегидные, карбамидные и полиэфирные смолы.
Кромесвязующего полимера, в пластмассы часто вводят добавки разного назначения,наполнители, красители, вещества, повышающие механические свойства,термостойкость и износостойкость.
Наполнителив виде порошка или волокна, которые входят в пласт массы, значительноудешевляют их. Вместе с тем они могут придавать пластмассам и многиеспецифические свойства. Например, пластмассы с наполнителем в виде алмазной икарборундовой пыли — это абразивы, т.е. отличный шлифовальный материал.
Основныепотребители пластмасс — это прежде всего строительная индустрия,машиностроение, электротехника, транспорт, производство упаковочных материалов,товаров народного потребления.
Широкомуприменению пластмасс способствуют низкая стоимость, легкость переработки исвойства, которые часто не уступают свойствам металлов и сплавов или дажепревосходят их. Так, изделия из пластмасс очень легки, устойчивы к коррозии иагрессивным средам, прочны, обладают отличными оптическими и изоляционнымисвойствами.
Каучук
До конца1930-х гг. в промышленности использовали натуральный каучук, выделяемый из млечногосока (латекса) некоторых растений — каучуконосов. Наиболее ценным каучуконосомявляется гевея, растущая в Латинской Америке. Исследования показали, чтонатуральный каучук представляет собой цис-полиизопрен, т.е.полимер, элементарные звенья которого соответствуют изопрену(2-метилбутадиену-1,3) и находятся в цисконфигурации.
Каучук, вкотором все элементарные звенья находятся или в цис-, или в трансконфигурации,называется стереорегулярным.
В серединеXIX в. (Гудьир, 1839 г.) было обнаружено, что при нагревании каучука с серой(до 8%) образуется резина — эластичный материал, технические свойствакоторого гораздо лучше, чем у каучука. При нагревании с серой (вулканизации)происходит сшивание полимерных цепей за счет сульфидных мостиков, что приводитк увеличению прочности, устойчивости к истиранию, действию органическихрастворителей и других веществ.
В связи сбурным ростом промышленного производства в начале XX в. возросла потребность вкаучуке, и это заставило химиков искать пути получения синтетического каучука.Первые попытки были неудачными, так как при полимеризации диенов образовывалисьнестереорегулярные цепи (т.е. цепи, в которых элементарные звенья находилиськак в цис-, так и в трансконфигурации). Получаемыйкаучук был похож на смолу, вулка низация его давала резину очень плохогокачества.
Впервыетехнологически удобный способ синтеза полибутадиенового каучука был разработанрусским химиком С. В. Лебедевым. В его основе лежала полимеризациябутадиена-1,3 с использованием катализатора — металлического натрия.
Этопозволило получить полибутадиен с хорошими технологическими свойствами. Однакоэтот полимер был нестереорегулярным, и поэтому резина, полученная на егооснове, была не эластичной. Стереорегулярные полимеры (в том числе иизопреновые) научились получать лишь в 50-е гг. ХХ в.
Современнаяхимическая промышленность вырабатывает несколько видов синтетического каучука.В качестве мономеров используют изопрен, бутадиен, хлоропрен(2-хлорбутадиен-1,3), стирол (винилбензол) и т. д. Большое распространениеполучили резины, произведенные на основе сополимеров алкадиенов с сопря женнымидвойными связями и производных алкенов.
Такиерезины характеризуются высокой морозоустойчивостью, прочностью и эластичностью(бутадиенстирольный каучук), масло-, бензостойкостью (бутадиеннитрильный(нитрил СН2=СН—СN), пониженной газопроницаемостью, устойчивостью кдействию ультрафиолетового излучения, окислителей (бутил-каучук — сополимеризопрена и изобутилена).
Волокна
Волокна —это полимеры линейного строения, которые пригодны для изготовления нитей,жгутов, текстильных материалов.
Природныеволокна попроисхождению делят на:
· растительные(хлопок, лен, пенька и т.д.);
· животные(шерсть, шелк);
· минеральные(асбест).
Химическиеволокна получаютиз растворов или расплавов волокнообразующих полимеров. Их подразделяют на:
· искуственные,которые получают из природных полимеров или продуктов их переработки, главнымобразом, из целлюлозы и ее эфиров (вискозные, ацетатные и др.);
· синтетические,которые получают из синтетических полимеров (капрон, лавсан, энант, нейлон идр.).
