Основные тенденции их развития
Институт химии и инженерной экологии
Кафедра «Химия, химические процессы и технологии»
Введение в профессию
КУРС ЛЕКЦИЙ
Составители: Т.Е. Лукьянова
В.Е Стацюк
М.А. Трошина
Тольятти
ТГУ
УДК 546.(075.8)
ББК 24.01
Курс лекций по дисциплине «Введение в профессию» /составители: Т.Е. Лукьянова, В.Е. Стацюк, М.А. Трошина. – Тольятти : ТГУ, 2013. – 97 с
Курс лекций представляет собой комплект материалов для изучения дисциплины «Введение в профессию». Приведены теоретические материалы и задания по практической части дисциплины. Предназначено для студентов направлений подготовки 020100.62 «Химия», 240100.62 «Химическая технология», 241000.62 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»
Содержание
1. Введение. Химические технологии и биотехнологии – основные тенденции их развития.
2. Вещества в химии
2.1. Чистые вещества и смеси веществ. Основные методы разделения смесей веществ.
2.2. Простые и сложные вещества. Синтез и анализ веществ.
2.3. Основные критерии определения чистоты вещества.
3. Физические состояния вещества.
3.1. Характеристика агрегатных состояний вещества.
3.1.1. Газы. Основные газовые законы. Сжижение газов.
3.1.2. Жидкое состояние вещества. Растворы. Способы выражения концентрации растворов.
4. Сырьевая база и основные источники энергии в химической технологии.
4.1. Природные, попутные, технологические газы.
4.2. Нефть.
4.3. Каменный уголь
4.4. Первичная переработка сырья в органическом синтезе
4.4.1. Некоторые процессы с использованием метана
4.4.2. Процессы нефтепереработки.
4.4.3. Переработка каменного угля.
5. Промышленная стехиометрия.
6. Основные технологические операции в органическом синтезе и их аппаратурное оформление.
6.1. Подготовка сырья.
6.2. Методы разделения реакционных смесей и очистки полученных веществ.
6.2.1. Выделение и очистка твердых веществ.
6.2.2. Разделение жидких веществ.
6.2.3. Разделение и очистка газовых смесей.
6.3. Классификация технологических процессов.
6.4. Реакторы и принципы их устройства.
6.5. Перемешивание и растворение.
6.6. Нагревание и охлаждение.
6.7. Давление и разряжение.
6.8. Использование катализаторов.
7. Высокомолекулярные соединения.
7.1. Метод полимеризации.
7.2. Метод поликонденсации.
8. Спектральные методы исследования органических веществ.
8.1. Инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия.
8.2. Электронная спектроскопия.
Введение. Химические биотехнологии –
основные тенденции их развития
На протяжении веков большая часть человечества влачила весьма жалкое существование. Еще несколько столетий назад в мире существовало рабство, и даже в прошлом веке, будучи свободными по закону, большинство людей, обеспечивая себе пропитание, вынуждены были оставаться практически рабами своего труда. Существуют разные профессиональные подходы к решению этой проблемы. Как сказал Макс Перутц (лауреат Нобелевской премии по химии 1962 года) «Священник призывает людей покорно сносить свою тяжкую судьбу, политик убеждает их восстать против нее, а ученый думает о методе, который вообще избавит людей от тяжкой судьбы». Ни одна наука не открыла перед человечеством столь широкие перспективы и не сделала для него больше, чем химия. Химия обеспечила изобилие самых необходимых вещей и предметов комфорта, которые улучшили здоровье и благополучие людей. Человек сам представляет собой биохимическую систему, существующую в химическом мире.
Основные итоги и достижения в развитии химии в настоящее время таковы:
1. Участие химии в решении сельскохозяйственных проблем.
«Зеленая революция» совершила в точности то, чего требовал король Бробдингнег из «Путешествий Гулливера» и «заставила вырастить по два колоска или по две травинки там, где прежде они росли по одному», а те, кто добились этого, по мнению короля, «сделали больше для человечества и сослужили большую пользу стране, чем все политики, вместе взятые». Это великое достижение химии обязано промышленному производству удобрений, инсектицидов, стимуляторов роста растений, гербицидам и некоторым другим соединениям. Их производством занята огромная промышленность, о масштабах которой можно судить хотя бы по тому, что в США урожай зерновых собирают на общую сумму 42 млрд. долларов в год, а стоимость пестицидов, позволяющих вырастить такой урожай, составляет 4,2 млрд. долларов. Мировое производство растительных пищевых продуктов благодаря удобрениям увеличилось за последние 20 лет в три раза, а с начала двадцатого века – в 80 раз.
2. Синтез новых материалов (органических и неорганических).
Большинство людей в наше время не мыслят своей жизни без пластиков, тканей, красок, которые позволяют всем хорошо одеваться и жить в чистоте и комфорте. Это решение проблем бытового уровня. Развитие промышленности – машиностроение (в т.ч. авто-), авиакосмическая техника, микроэлектроника – невозможно без новых конструкционных материалов, защитных покрытий, специальных веществ и добавок. Химический синтез органических полимеров, синтетического каучуков, специальной керамики, осуществленный в настоящие время, позволил в значительной мере решить многие сложные проблемы современной техники.
3. Современная химия добилась значительных успехов в области синтеза биологически-активных веществ – лекарственных и гормональных препаратов, ускорителей и замедлителей роста живых клеток, антиоксидантов и ингибиторов старения живых клеток.
Основные тенденции развития химической науки:
- актуальным по-прежнему остается поиск новых форм сельскохозяйственных препаратов, т.к. отмечается привыкание вредителей сельскохозяйственных культур и патогенных микроорганизмов к применяемым инсектицидам и антисептикам;
- бурное развитие авиакосмической и других отраслей промышленности по-прежнему требует создание новых высокопрочных и стойких к химическим и радиационным воздействиям конструкционных и защитных материалов;
- актуальным остается также создание новых лекарственных препаратов и средств, воздействующих на живую клетку в связи с возникновением новых болезней – СПИД, онкологические и респираторные заболевания;
- сейчас общепринято считать, что наибольшие достижения в развитии химии ожидаются на стыке химии с биологией – это и биохимия и биотехнология, и генная инженерия, которые позволяют создавать принципиально новые формы лекарственных препаратов, а также дают совершенно неожиданные решения той или иной проблемы. Биотехнология – это область науки и техники, простирающаяся от удовлетворения бытовых нужд человека до самых дерзких фантастических проектов: от сыроделия до исследований клонирования людей;
- новое понятие «биотехнология» относится к области знаний, которой пользовались еще древние шумеры, умевшие за 3 тыс. лет до н.э. готовить 19 сортов пива. Сейчас в развитии биотехнологии крупные нефтяные и фармацевтические компании вкладывают огромные средства, поскольку они не желают пренебрегать открывающимися возможностями.
В развитии биотехнологии отмечаются следующие приоритетные направления:
- Биотехнология включает генную инженерию – манипулирование с молекулами ДНК или генной системой кодирования в клетках живых существ с целью получения новых клеток обладающих заданными свойствами. Исследования в этой области привели к созданию новых прикладных направлений в химии – иммунохимии и аффинной хроматографии.
- Биотехнология охватывает также применение ферментативных катализаторов для повышения скоростей химических реакций.
- Биотехнология включает изучение и практическое применение таких процессов с клеточными культурами и ферментацией, которые уже давно используются в производстве, например шампанского, пива, пенициллина, но которые только теперь открывают большие возможности в экономике.
- Значительные достижения в биотехнологии в области здравоохранения. Налажено производство таких препаратов, как инсулин, и интерферон, полученные методом генной инженерии. Этими же методами получен гормон, который излечивает карликовую болезнь (торможение роста). Эксперименты по клонированию антител обещают покончить с гепатитом.
Будущее в развитии биотехнологии связано с использованием ее методов в 3-х областях: химической промышленности, сельском хозяйстве (растениеводстве) и энергетике.
В химической промышленности предстоит преодолеть такую важную проблему (не говоря уже о сравнительной себестоимости обычных и биотехнологических методов производства) как нередкое отравление биокатализаторов химическими продуктами, получаемыми с их помощью.
В области агрохимии усилия сконцентрированы на повышении урожайности сельскохозяйственных культур, и хотя нет гена, кодирующего урожайность, имеются другие гены, кодирующие сопротивляемость заболеваниям. Речь идет о продуктах генетически модифицированных.
Другая область исследований связана с использованием тканевых культур для выращивания растений из единичных тождественных клеток.
В области энергетики биотехнологические исследования сосредоточены на решении проблем, связанных с получением новых или нетрадиционных видов горючего, например:
1. получение газового или жидкого топлива из угля;
2. переработка биомассы в биогазы методами биотехнологии.
- использование зерновых отходов в развивающихся странах привлекает внимание по нескольким причинам:
- биогаз из них можно получать в сельской местности;
- остатки после получения биогаза имеют высокое содержание азота и могут использоваться как ценное удобрение;
- использование биогаза уменьшает расходы древесины в качестве горючего;
- земли, непригодные для выращивания зерновых могут быть использованы для выращивания биомассы. В качестве биомассы используются многие водяные растения (камыш, гиацинты), которые засоряют каналы;
- решаются экологические проблемы.
Биомасса включает любые вещества животного и растительного происхождения. Пища, древесина, органические отходы животных растений – все это разновидности биомассы. Биомасса является важной формой запасной энергии: белки, жиры, углеводы входящие в состав пищи, обеспечивают энергией человеческий организм.
Биогаз – это преимущественно метан, получаемый из биомассы в специальных генераторах биогаза или автоклавах. В генераторе биомасса перегнивает без доступа кислорода, т.е. в анаэробных условиях, при которых определенные бактерии разлагают отходы с образованием метана.
Производство биогаза особенно быстро увеличивается в развивающихся странах. В Китае размещено около 4,3 млн. установок, производящих биогаз и подготовлено более 100 000 специалистов для их обслуживания. В Индии действует более 60 000 установок по производству биогаза.
Другой разновидностью биотоплива является этиловый спирт, полученный из таких растений, как сахарный тростник, маниока, кукуруза путем ферментации (сбраживания) и последующий перегонки. Бразилия – самый крупный в мире производитель этанола – ежегодно 3,2 млрд. т этанола из сахарного тростника, сорго, маниока. Этанол, смешанный с бензином (до 20%) используется в автомобиле без переделки двигателя, а чистый этанол - после переделки. Стоимость этанола в Бразилии выше, чем бензина в Европе, но Бразилия таким образом экономит свою валюту на импорте бензина. В США значительный объем этанола производится из кукурузы, в Австрии из маниоки, в Новой Зеландии из сахарного тростника. Получение этанола из биомассы экономически оправдано в странах, бедных энергоресурсами.
Естественно, в таких странах как Мексика, Нигерия, Венесуэла (нефть) вряд ли есть необходимость в развитии крупных программ получения энергии из биомассы.
Все больше внимания привлекает водород как перспективное горючее: водород – наиболее распространенный элемент во вселенной. На Земле его огромные запасы виде воды. Полученный водород можно превратить затем в другие виды горючего, например метанол.
Водород можно получить электролизом воды. Эффективность этого процесса 80%, однако, в настоящее время этот процесс экономически невыгоден.
При использовании солнечной энергии в специальных солнечных коллекторах так же получают водород. В них концентрируется солнечное излучение и достигается температура, необходимая для термохимического разложения воды.
Фотохимическое разложение воды (фотолиз) под действием солнечной энергии – это тоже источник водорода.
Биохимический фотолиз предполагает использование ферментов, полученных из живых организмов. С помощью этого подхода уже получают водород из воды, однако скорость процесса неудовлетворительна.
За последние годы значительные успехи были достигнуты в области биологического фотолиза. Растения всегда использовали солнечную энергию для разложения воды, но они не выделяли водород, используя его для собственных энергетических нужд (на восстановление CO2). Ведутся интенсивные работы методами генной инженерии по выведению биологических структур, которые будут способны выделять водород, например, особые породы дерева. Это позволит заменить дорогостоящие коллекторы солнечной энергии и солнечной батареи листьями деревьев.
Вздувшиеся растительные ткани, так называемые галлы, например, наросты, образующиеся на тканях деревьев, генетически могут быть запрограммированы на использование солнечной энергии, поглощаемой листьями, для выделения H2 как побочного продукта фотосинтеза. H2 можно будет собирать внутри галлов и направлять по трубкам на накопительные станции. Нечто подобное уже существует в природе. Многие насекомые и бактерии вызывают образование галлов у различных растений. Число типов этих галлов измеряется десятком тысяч, обеспечивающих затем организм, на котором они образовались, защитой или питательными веществами. В одном случае, когда бактерии Rhizobium находятся в симбиозе с бобовыми растениями, в галлах образуется значительное количество H2, которое просто выделяется в атмосферу. Подсчитано, что в США соевые плантации ежегодно выделяют в атмосферу около 30 млрд. м3 H2. Использование подобного потенциала будет зависеть от развития техники генной инженерии. Галлы позволяют обратить вспять фотосинтез и получить водород (или метан) в замкнутой полости откуда он может транспортироваться по коллекторной трубе. Подобный фракционный проект получил название «водородного дерева».