Прикладная химия
Учение о химическом производстве, основные задачи, решаемые химической технологией, характеристика важнейших химических производств и аппаратов. Современные требования к химическим производствам экономического, структурного и экологического характера, проблема техники безопасности, химизация экономики и социально-бытовой сферы общества. Химия и энергетика. Химия и новые материалы. Химия и биорегуляция. Химия и создание продуктов питания. Проблема направленного синтеза практически важных продуктов.
Прикладная химия - это раздел науки, изучающий основные области применения химии в народном хозяйстве и с применением продуктов конкретных химических и биохимических производств.
Целью изучаемой дисциплины является подготовка высококвалифицированных учителей химии, способных освещать в школьном курсе, в том числе в условиях профильного обучения вопросы химической и биологической технологии на уровне современного состояния науки и промышленности.
Задачи изучаемой дисциплины:
сформировать представление об основных направлениях и тенденциях химизации в мире и в нашей стране.
изучить проблемы энергетики и основные направления использования традиционного топлива и перспективных источников энергии.
рассмотреть направления решения проблемы создания материалов с заданными свойствами.
показать социальные, экологические и научные проблемы использования удобрений и пестицидов, основные направления использования достижений химии в сельском хозяйстве.
рассмотреть основные средства бытовой химии (синтетические моющие средства, чистящие и отбеливающие вещества, краски, средства гигиены) и правила безопасного обращения с ними.
|
|
познакомить студентов с химической сущностью процессов, происходящих при кулинарной обработке пищевых продуктов и правилами рациональной кулинарной обработки продуктов.
рассмотреть, в каких темах школьного курса, и в каком объеме изучаются вопросы прикладной химии.
Междисциплинарный характер.
неорганическая, органическая, физическая химия виды энергоресурсов, Процессы окисления
органическая химия: Состав горючих полезных ископаемых
неорганическая химия: Водород как топливо
биология, биохимия: Фотолиз воды, Жиры, белки, углеводы, превращение веществ в организме, витамины
неорганическая химия, физика: Ядерное топливо
общая и физическая химия: Химические источники тока, Защитные покрытия
химия окружающей среды: Проблемы энергетики
физическая и коллоидная химия: ПАВ
Химическая промышленность объединяет множество специализированных отраслей, разнородных по сырью и назначению выпускаемой продукции, но сходных по технологии производства.
В состав современной химической промышленности России входят следующие отрасли и подотрасли.
Отрасли химической промышленности:
горно-химическая (добыча и обогащение химического минерального сырья - фосфоритов, апатитов, калийных и поваренных солей, серного колчедана);
основная (неорганическая) химия (производство неорганических кислот, минеральных солей, щелочей, удобрений, химических кормовых средств, хлора, аммиака, кальцинированной и каустической соды);
органическая химия:
производство синтетических красителей (выработка органических красителей, полупродуктов, синтетических дубителей);
|
|
производство синтетических смол и пластических масс;
производство искусственных и синтетических волокон и нитей;
производство химических реактивов, особо чистых веществ и катализаторов;
фотохимическая (производство фотокинопленки, магнитных лент и других фотоматериалов);
лакокрасочная (получение белил, красок, лаков, эмалей, нитроэмалей и т.п.);
химико-фармацевтическая (производство лекарственных веществ и препаратов);
производство химических средств защиты растений;
7. производство товаров бытовой химии;
производство пластмассовых изделий, стекловолокнистых материалов, стеклопластиков и изделий из них.
8. микробиологическая отрасль.
Отрасли нефтехимической промышленности:
производство синтетического каучука;
производство продуктов основного органического синтеза, включая нефтепродукты и технический углерод;
резиноасбестовая (производство резинотехнических, асбестовых изделий).
Кроме того, на базе отходящих газов и побочных продуктов определенная часть химической продукции вырабатывается в коксохимической промышленности, цветной металлургии, целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей (лесохимия) и других отраслях. По технологическому признаку к химической промышленности можно отнести производство цемента и других вяжущих, керамики, фарфора, стекла, ряда продуктов пищевой, а также микробиологической промышленности (белково-витаминные концентраты, аминокислоты, витамины, антибиотики и др.).
Предмет и задачи прикладной химии
|
|
Учение о химическом производстве. Современное химическое производство представляет собой многотоннажное специализированное производство, основанное на достижениях науки и техники. Научной основой химического производства является химическая технология. Химическая технология - это отрасль химической науки, изучающая вещества и процессы их превращений в ходе химического производства.
Роль химии в обществе. Учение об устойчивом развитии общества. Производство конкурентоспособных техники и товаров невозможно без использования химических материалов и технологий. Они являются основными факторами, обеспечивающими прогресс таких ключевых отраслей производства как электротехника, электроника, авиа - и ракетостроение, связь. Состояние химической отрасли промышленности имеет первостепенное значение для народного хозяйства в целом.
Химизация - один из аспектов прикладной химии. Сущность химизации экономики и социально-бытовой сферы. Основные понятия (химизация, экономическая эффективность химизации, химикоемкость, химическая продукция и ее классификация). Условия осуществления химизации. Научно-технический прогресс (взаимосвязанное поступательное развитие науки и техники) в химической промышленности отличают следующие направления: совершенствование средств труда, изменение существующих и создание новых технологий, улучшение использования сырья, всесторонняя автоматизация химического производства. Важнейшим результатом НТП в химической промышленности стало широкое внедрение ее достижений во все сферы народного хозяйства - эффективная его химизация. Химизацией народного хозяйства называется процесс внедрения методов химической технологии, химического сырья и химических материалов и изделий из них в материальное производство. Целью химизации народного хозяйства является интенсификация и повышение эффективности производства, а в непроизводственной сфере улучшение условий труда и качества обслуживания. Количественной оценкой уровня химизации соответствующей отрасли служит "коэффициент химикоемкости" Кх:
Кх = Мхим / Мхим +Мнехим,
где: Мхим и Мнехим - стоимость продукции, произведенной, соответственно, с использованием химических методов и материалов и без них. Максимальное значение Кх имеет на транспорте и в связи, что обусловлено широким использованием в этих отраслях синтетических полимерных метериалов.
Химическая промышленность подразделяется на отрасли широкой специализации (горная химия, основная химия, производства органического синтеза и т.д.) и отрасли узкой специализации (производство минеральных удобрений, пластмасс, синтетических каучуков, красителей и т.д.). Продукция химической промышленности по принятой в стране классификации сгруппирована в 7 классов:
1) продукты неорганического синтеза,
2) полимерный материалы (синтетические каучуки, пластмассы, химические волокна),
3) лакокрасочные материалы,
4) синтетические красители и полупродукты,
5) продукты органического синтеза (нефте-, коксо - и лесохимия),
6) химические реактивы и чистые вещества,
7) химико-фармацевтические препараты.
История вопроса. Химическая технология - научная дисциплина, которая сформировалась в ее современном виде к середине XX столетия. Теоретические основы науки создавались параллельно в России и за рубежом. В 1803 году в Российской АН была впервые создана кафедра химической технологии. В 1808 году выходит в свет учебник И.А. Двигубского "Начальные основания технологии или краткое показание работ на заводах и фабриках производимых". Научные основы химической технологии закладываются позже в работах крупнейших ученых-химиков: Д.И. Менделеева, Н.Н. Зинина, Н.Д. Зелинского, И.Н. Каблукова и других. В стране организуется сеть научных учреждений, в которых разрабатывалась теория химико-технологических процессов конкретных производств.
Основные направления химизации в различных регионах мира. С химизацией народного хозяйства РФ в настоящее время тесно связана проблема конверсии оборонного производства. Она вытекает из необходимости перестройки всей промышленности, в которой удельный вес продукции для нужд военно-промышленного комплекса и сосредоточившего высококвалифицированные научно-технические кадры, достигает 80-90%. Перевод значительной части оборонного потенциала на производство гражданской продукции, в том числе и химического назначения.
Основные задачи, решаемые химической технологией. Между задачами, целями и содержанием теоретической химии и химической технологии существуют принципиальные различия, вызванные спецификой объекта изучения - производственного процесса, что накладывает ряд дополнительных условий и на сам метод изучения. Технология - это наука о наиболее экономических методах и средствах массовой переработки сырых природных веществ в продукты потребления и промежуточные продукты. В химическом производстве собственно химическим превращениям сопутствуют разнообразные физические, физико-химические и механические процессы.
Проблемы химизации: научные, производственные, финансовые, этические и нравственные, социальные и экологические. Химия и хемофобия. Международное сотрудничество в области прикладной химии (КЭМРОН и подобные организации). Все возрастающие масштабы научной и производственной деятельности человека, его воздействие на окружающую среду, влияют не только на материальное производство, но и на все стороны жизни общества. В эпоху НТП важное значение приобретает проблема этики науки, то есть те моральные нормы, которые регулируют взаимоотношения между деятельностью ученого и социально-этическими правилами. Нарушение этических норм может иметь глобальные последствия в виде ухудшения среды обитания, разрушения природных экологических систем, изменения генофонда населения.
На сегодня только в химической промышленности ежегодно производится около тысячи новых химических веществ и соединений при 800 тыс. находящихся в обращении на мировом рынке и 7 млн. известных соединении, в том числе особо опасных веществ, объем производства которых соответствует сотням триллионов летальных доз. Проявление тенденции к росту интенсивности опасных технологических аварий и катастроф, накоплению вредных и токсических отходов при увеличении численности и концентрации народонаселения и материальных богатств на сравнительно ограниченных территориях обусловливает рост масштабов ущерба и потерь. Масштабы техногенной опасности становятся соизмеримыми с масштабами стихийных бедствий. Только количество крупномасштабных технологических катастроф за два последних десятилетия в мире выросло в три раза, преждевременная смертность возросла на 15-25?, а ущерб от них и высоко токсичных техногенных загрязнении даже в такой развитой стране, как США, превышает 7? ее валового продукта. Свыше 10 млн. человек официально являются экологическими беженцами, не считая нашей страны. Вce это свидетельствует о необходимости координации усилий в обеспечении промышленной безопасности как на национальном, так и мировом уровне, об актуальности изучения данной дисциплины.
В общемировой практике обеспечение промышленной безопасности осуществляется путем а) снижения вероятности реализации поражающего потенциала современных технологических объектов и производств (учетом известных промышленных аварий, происшедших в мире в последнее десятилетие, выработаны законы, принципы и рекомендации по безопасности общества от промышленных аварий и катастроф, включенные в законодательства промышленно развитых стран);
б) подготовки к эффективным действиям и их реализации в условиях природных катастроф и чрезвычайных ситуаций (ЧС) экологического и технического характера, обеспечивающих минимум риска, социально-экономического ущерба и людских потерь. Ряд крупномасштабных аварий и катастроф в Мексике, США, СССР и др. привел к колоссальному ущербу и негативным последствиям, вовлечению в возникшие ЧС населения, окружающей среды, экономических структур.
Решение задач первого направления связано с изучением условий проведения технологического процесса и выявление критических значений параметров, выход за которые может привести к возникновению и развитию аварийных ситуаций с последующим возможным переходом к чрезвычайной ситуации.
Решение задач второго направления исследований связано с оптимизацией трудовых, материальных и финансовых ресурсов при предупреждении причин, локализации исключения возможностей развития крупных технологических аварий и катастроф и смягчения или минимизации их негативных последствий.
На сегодня в США, Японии, Канаде и странах Западной Европы создана международная система подготовки к ЧС технологического характера, обеспечивающая уведомление населения конкретных регионов о потенциальной опасности существующих там промышленных объектов, учитывающая мнение населения (а не только заинтересованных министерств, фирм и ведомств) при принятии разнообразных стратегических и тактических решений. Основой формирования планов действий и подготовки населения к ЧС в этой системе являются сценарии возникновения и развития возможных аварий на промышленных объектах.
Основой планов ликвидации аварий в нашей стране долгое время являлись, главным образом, различного вида нормативы и рекомендации общего характера, слабо учитывающие специфику опасностей для конкретных регионов, характер негативного влияния отдельных промышленных предприятий на экологию и экспозицию населения при реальном развитии аварийных ситуаций. Принятие Россией закона по безопасности промышленности и населения, учитывающего риск возникновения природных и техногенных катастроф, изменило ситуацию, привело к эффективным разработкам, связанным с обеспечением как безопасности и живучести функционирования сложных технических систем, так и с защитой жизни и здоровья населения, экономики и окружающей среды.
Ныне в качестве нормативно-правовой базы можно указать:
Закон РФ о промышленной безопасности опасных производственных объектов от 20.06.97 г.
2. Положение о декларации безопасности промышленного объекта РФ, постановление Правительства РФ №675 от 01.07.95
3. Методические указания по проведению анализа риска опасных промышленных объектов, постановление Госгортехнадзора России №29 от 12.07.96 г.
4. Руководящие принципы по предотвращению ЧС, готовности к действию при химических авариях. Руководство для государственных органов, рабочего персонала и прочих заинтересованных сторон, 1993 и множество отраслевых нормативных документов.
Весь исторический опыт развития цивилизации свидетельствует о том, что оно никогда не было бесконфликтным и непротиворечивым процессом. В доисторический период человек мало чем отличался от всеядных млекопитающих по характеру своего взаимодействия с биосферой, частью которой он является. Развитие человеческой популяции, её безопасность на этом этапе определялись климатическими (качеством воды, воздуха и т.д.), пищевыми и биотическими (внутривидовое и межвидовое) свойствами окружающей среды. По мере развития цивилизации влияние различных факторов, угрожающих существованию человека, приводило к качественным изменениям в образе жизни и характере организации общественного производства.
Потребность в защите от неблагоприятных природных воздействий привела к развитию строительной индустрии, ткацких и прядильных производств, что в свою очередь потребовало развития горного дела,. металлургии, промышленности строительных материалов, красителей, станкостроения, энергетики и т.д. Эпидемии, возникавшие в результате роста численности населения и повышения плотности его размещения, привели к необходимости коренного улучшения санитарно-гигиенических условии быта, развития медицины и производств, изготовляющих медицинские препараты. Повышение безопасности человека достигалось развитием экономики, использованием достижений науки и техники и соответственно повышением материального уровня жизни. Развитие промышленности, обусловленное потребностью развития экономики, снижая социально-экономический риск, одновременно привело к появлению новых видов опасности как для здоровья населения, так и для окружающей природной среды.
В середине 19 в. появляются крупные машинные производства. Деятельность человека (её масштабы) сопоставимы с воздействием природной среды. С другой стороны появляется осознание ценности и уникальности каждой человеческой личности. Постепенно (2-я половина 19 - начало 20 в) личность ставится во главу угла: её безопасность, уровень и длительность жизни - основополагающие цели. Этот процесс незавершён, но он неизбежен. Он становится жизненно необходимым.
Сейчас идёт этап научно-технической революции (НТР), когда ошибки, сбои в любой области человеческой деятельности чреваты катастрофическими последствиями для большого числа людей и окружающей среды. С другой стороны их уязвимость в условиях сосуществования с современными сложными техническими комплексами резко увеличилась. Во первых, современные технологические комплексы, как правило, связаны с применением и преобразованием большого количества опасных веществ и тех или иных видов энергии. За осознание опасности таких систем человечество заплатило многими жизнями, особенно в результате крупных катастроф (Чернобыль в ядерной энергетике, в химической промышленности Бхопал в Индии и Севезо в Италии). Во-вторых, количество отходов в результате жизнедеятельности биологических организмов не превышает 1%, при технологическом процессе - 99%. Все эти отходы представляют угрозу. Необходима утилизация. Реально безотходных производств практически нет. Природа же не в состоянии перерабатывать выбрасываемые нами отходы. Кроме того, свалки, как правило, тлеют и при этом выделяются токсины. В-третьих, ежегодно производится и включается в промышленный оборот около 1000 новых химических веществ. Это превышает возможности адаптации человека и биосферы.
Сложившаяся ситуация остро ставит задачу обеспечения эффективного безопасного управления техногенными комплексами и всей деятельностью человека в целом., что невозможно без оценки уровня и характера риска, анализа причин его возникновения и путей снижения, прогнозирования вероятности отказов и аварий, их масштабов и последствий, разработки системы мер юридического, технического, организационного и иного характера по уменьшению опасности и минимизации негативных последствий в случае ее реализации.
Научные исследования, проведенные по заказу МЧС, показывают, что тенденция увеличения риска чрезвычайных ситуаций на территории России в ближайшие десять лет сохранится.
Для большинства промышленно развитых стран характерна стабилизация этого показателя. Причина такой ситуации связана с тем, что индустриально развитые страны раньше столкнулись с опасностью и необходимостью предупреждения катастроф и с некоторым отставанием России в области информатики и теории управления. В странах запада пришли к качественно новым технологиям в 70-х гг. Нам это ещё предстоит. Суть этих преобразований: ускоренный переход от индустриальных производственных сил, сложившихся после промышленной революции и основанных на преобразовании вещества и энергии, к научно-техническим производственным силам, связанным с развитием информационных технологий и информатизацией всего общества в целом. Переход к новым производительным силам не исключил полностью риска крупномасштабных техногенных катастроф, но способствовал стабилизации их частоты на определённом уровне. К снижению риска приводит также экспорт опасных и вредных технологий в страны 3-го мира. Последнее способствует увеличению числа катастроф в этих странах. Кроме того, в них довольно слабый научно-технический и образовательный потенциал, что также способствует возникновению аварийных ситуаций.
Анализ причин и последствий наиболее крупных аварий показывает, что они во многом обусловлены традиционными подходами к проектированию и эксплуатации технологических объектов. Возникновение сложных и масштабных технических систем, не только повысило уровень техногенного риска и глобализовало техногенные опасности, но и усложнило задачу управления ими.