Раушан Ашкеева - Прикладная химия

Ашкеева Р.К, Тугелбаева Л.М, Рыскалиева Р.Г

Прикладная химия. Учебное пособие

ВВЕДЕНИЕ

Современное состояние развития общества характеризуется проникновением химии во все сферы жизни. Современные люди в той или иной степени сталкиваются с новыми для них препаратами и материалами. Это вызвано научно-техническим прогрессом и повышает уровень жизни людей. Поэтому ориентироваться в том, как правильно применять химические препараты, необходимо каждому современному человеку. Ошибки в применении этих продуктов могут привести к отрицательным последствиям, что особенно заметно, когда речь идет о загрязнении окружающей среды и приготовлении пищи. Химизация необходима, но ее развитие должно базироваться на прочных химических знаниях. Необходимо показывать реальную связь химии с проблемами и потребностями общества. В связи с этим большую актуальность приобретает изучение прикладных проблем химии.

Курс «Прикладная химия», изучающий важнейшие направления химизации экономики и сферы быта, опирается на межпредметные связи с дисциплинами химического цикла, экологией. Этот обобщающий курс располагает большими возможностями для расширения профессионального кругозора, эрудиции, повышения общей образованности и культуры.

Прикладная химия – явление многоаспектное, поэтому определить предмет соответствующей дисциплины непросто. Вероятно, суть предмета можно сформулировать как практические результаты использования химических законов, закономерностей, принципов, экспериментальных методов, технологических приемов, а также химических продуктов в различных отраслях экономики и социально-бытовой сфере. Курс включает четыре основных раздела:

1. Химизация энергетики;

2. Химические основы создания и эксплуатации материалов;

3. Химические аспекты решения продовольственной проблемы;

4. Химизация сферы быта.

Химизация энергетики: уровень материальной, а, в конечном счете, и духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Чтобы добывать руду, выплавить из нее металлы, построить дом, сделать любую вещь, нужно израсходовать энергию. А потребности человека все растут, и людей становится больше. Понятие «энергетика» включает в себя методы получения и использования различных видов энергии для нужд человеческого общества. Энергетика или топливно-энергетический комплекс – одна из основ развития современного общества; эффективность решения социальных, экономических и технических задач в значительной мере определяется выработкой энергии и масштабностью энергоресурсов. Энерговооруженность – показатель цивилизации страны, определяет мощь и уровень развития общества. Для устойчивого развития необходимы устойчивые энергоресурсы. Но те ресурсы, от которых зависит человек, к таковым не относятся. Кроме этого, энергетика оказывает существенное влияние на окружающую среду, являясь источником различных видов загрязнения воздуха, воды, земной поверхности и недр. Также запасы ископаемого топлива ограничены. Многие страны уже испытывают «энергетический кризис». До 1991 г. (до распада) СССР являлась единственной страной в мире, полностью обеспечивающей свои потребности в топливе и энергии собственными ресурсами. В этом разделе рассматриваются современные проблемы энергетики, причины их возникновения, направления решения, классификация энергоресурсов, современная структура выработки энергии, тенденции в развитии энергетики, альтернативные традиционные источники энергии.

Химические основы создания и эксплуатации материалов: не меньшее значение в нашей жизни играют различные материалы. Сейчас, когда многое человечеством освоено и используется (например, чистые и сверхчистые металлы, различные сплавы с рассчитанными свойствами, проводники, сверхпроводники, магнитные материалы, строительные, оптические, полимерные, керамические материалы, различные покрытия, смазочные материалы и многое др.) встает вопрос создания материалов с заданными свойствами. Также очень важен экологический аспект использования различных материалов. Например, толчком для развития и производства полимеров послужил дефицит ряда природных материалов. По мере развития науки о полимерах выяснилось, что они открывают новые возможности для создания материалов с комплексом свойств, неизвестных ранее. Многие достижения в области космической техники, радиотехники, электроники и в других областях были бы немыслимы без гаммы новейших полимерных материалов, обладающих необходимыми физическими, химическими, механическими и электрическими свойствами. В настоящее время трудно найти отрасль сельского хозяйства, где бы ни применялись полимеры. Гигантские молекулы обеспечили новыми материалами не только промышленность, но и помогли обуть и одеть человечество. Изделия из искусственных синтетических волокон, меха, кожзаменители стали неотъемлемой частью гардероба любого современного человека. По гигиеническим свойствам предпочтительны натуральные ткани, сейчас и по этим показателям синтетические материалы приблизились к природным. Новые материалы зачастую оказываются лучше старых, надежнее, долговечнее. Например, стальная труба может выйти из строя через 3-5 лет, а в особо жестких условиях эксплуатации – 1,5-2 года, в то время как пластмассовые трубы служат 20-30 лет. Или из силиконового каучука в настоящее время изготавливают искусственные органы (например, клапаны для сердца, сосуды, фрагменты суставов), чего нельзя сделать из природного каучука. И таких примеров очень много. Все это огромное количество химической продукции с течением времени переходит в отходы. Отслужив свой срок, полимерные материалы, являясь синтетическими продуктами, ранее не существовавшие на Земле, разлагаются крайне медленно (50-60 лет). Они не подвергаются гниению, коррозии, а превращаются в долгоживущие отходы. Тоже касается металлических и неметаллических материалов. Серьезные экологические проблемы связаны с жилыми помещениями. Источниками вредных веществ служат мебель, линолеум, применение различных химикатов, процесс приготовления пищи и т.д. Например, современная мебель выделяет заметные количества токсичных веществ, что связано с применением древесно-стружечных плит на синтетических смолах, использование лаков, красок. Исследования показали присутствие в воздухе помещений формальдегида, ацетофенона, стирола, фунгицида и т.п.

Химические аспекты решения продовольственной проблемы: химия как косвенно, через сельское хозяйство, так и непосредственно оказывает влияние на решение продовольственной проблемы. Без химизации сельского хозяйства немыслимо развитие современного общества. Сохранение плодородных почв под земледельческими угодьями, пастбищами и лесами – основное условие устойчивого развития общества. Важным фактором антропогенного воздействия на почвенные экосистемы является применение минеральных удобрений. С ними в большей мере связывают успехи современного сельского хозяйства. При сборе урожая, человек изымает из почвы биогенные элементы, накопленные биомассой растений. На поля необходимо вносить эквивалентное количество биогенных элементов. Для этого в сельском хозяйстве используют удобрения. Как недостаток, так и избыток удобрений наносит вред окружающей среде и здоровью человека. Экологических проблем, связанных с использованием удобрений очень много, например, проблема нитратов.

В сельском хозяйстве также широко применяются пестициды – химические средства защиты растений от сорняков, грибковых заболеваний и т.п. Также пестициды используются в быту для уничтожения домашних насекомых или грызунов, или например, дезодоранты. Первоначально использование пестицидов было встречено с большим энтузиазмом: они обладали быстротой действия, высокой эффективностью против различных вредителей. Применение этих веществ позволило полностью предотвратить такие заболевания, как тиф и малярия, способствовало увеличению производства пищевых продуктов. Но через многие годы выяснилось, что эффективность пестицидов сопровождалась появлением многих отрицательных последствий и представляют угрозу для других живых существ, в том числе и для людей. В целом пестициды как загрязнители окружающей среды составляют менее 1 % из общего числа загрязнителей. С одной стороны это сильнодействующие биологически активные вещества, представляющие серьезную опасность для биосферы, а с другой – пестициды помогают сохранить 18-20 % урожая. Разговоры о том, что необходимо отказаться от пестицидов и перейти на «чистое» сельскохозяйственное производство (без химии) на сегодняшний день несостоятельны.

Пищевые добавки в продукты питания позволяют повысить их качество, питательность, физиологическую ценность и сохранность. Пищевые добавки – это природные соединения (витамины и минеральные соли) и химические вещества (различные красители, консерванты, стабилизаторы, эмульгаторы, усилители вкуса и аромата, пеногасители, глазирователи), которые в ограниченных количествах вводятся в продовольственные товары с целью придания им заданных свойств, увеличения стойкости к различным видам порчи, сохранения структуры, внешнего вида и т.д. Внедрение химических методов в пищевую технологию дает возможность полнее использовать сельскохозяйственное сырье, увеличить выход продукции и тем самым снизить ее себестоимость. Применение в хим. промышленности полимерных материалов (ионитов, силиконов, пластмасс, полимерных пленок и др.) способствует усовершенствованию оборудования и технологических процессов, повышению сохранности пищевых продуктов благодаря использованию новых видов упаковки.