Проблемы сырьевых ресурсов и химия

Основными сырьевыми ресурсами для человечества и большинства современных производств являются вода, металлы, нефть, уголь, газ, минералы и др.

Вода – это наиболее распространенное вещество в природе. Более 70% общей поверхности земного шара занимают океаны и моря, остальная часть представляет собой сушу. Большое количество воды находится в атмосфере Земли в виде пара (около 12 · 10³ км³ ).

В жизни планеты вода играет важную роль. Под действием воды изменяется поверхность планеты, формируется толща осадочных пород на дне океанов и морей.

Океаны представляют собой огромный источник минеральных и биологических ресурсов. Морская вода содержит более 70 химических элементов периодической таблицы. Мировой океан является естественным терморегулятором планеты, аккумулируя и отдавая теплоты в зависимости от времени года. Обладая большой удельной теплоемкостью, вода, способна накапливать значительную энергию. Такая особенность воды существенно влияет на состояние климата.

Участвуя во многих биохимических процессах, вода служит основным фактором жизнедеятельности растительного и животного мира. Большинство живых организмов в своем составе имеют воду. Например, тело человека содержит около 60% воды, для поддержания ее баланса в организме необходимо 2-3 л в сутки для каждого индивида.

Потребление воды осуществляется не только в целях удовлетворения прямых физиологических потребностей, но и для различного рода сопутствующих и технологических процессов. Рост народонаселения также обостряет проблему водных ресурсов.

Мировой океан, имеющий объем 1,4 · 10⁹ км ³, является естественным резервуаром для хранения запасов воды.

Морская вода содержит массу солей, в среднем около 37 г солей приходится на литр морской воды, что позволяет назвать ее соленой.

Пресная вода на Земле имеется в гораздо меньших количествах. От общего количества воды на поверхности Земли она составляет 2,5% (3,5 10⁶ км³. Пресной называют воду, если она содержит не более 1г солей на 1 литр. Основной объем пресной воды сосредоточен в айсбергах и ледниковых покровах Арктики и Антарктики. Использование этих ресурсов связано с целым рядом глобальных проблем. Часть пресной воды (около 30%) сосредоточено под Землей. Часть пресной воды содержится в озерах и болотах, руслах рек. Из всех компонентом земной гидросферы именно вода рек является основным источником пресной воды для человека и животных. Вся биомасса Земли на 60-80% состоит из воды, а общий объем биологической воды равен 1,1 · 10³ км³ .

Вся природная вода содержит примеси органического и минерального происхождения. Эти вещества поступают в воду разными путями: вымывание пород, осадки, продукты жизнедеятельности человека и животных. Таким образом природные воды представляют собой растворы, примеси в которых можно разделить на ряд групп: ионы; растворенные газы; биогенные вещества; микроэлементы; органические вещества (классификация О.А. Алекина). Наибольшее количество в воде присутствует ионов натрия, кальция, магния, калия, железа. Среди газов, растворенных в воде, присутствуют кислород, азот, водород, сероводород и др. Биогенными примесями считают соединения, с которыми связана жизнедеятельность живых организмов: различные формы азота, фосфора, кремния, железа и др. Микроэлементами называют примеси, находящиеся в растворе в количествах, не превышающих 10^-3 %. В воде они представлены бромом, йодом, медью, кобальтом, никелем и др. химическими элементами. Органические соединения в виде различного рода растительных и животных организмов и продуктов их взаимодействия также широко представлены в воде.

Вода обладает уникальными свойствами. Она может находиться в трех агрегатных состояниях в зависимости от внешних условий. Для воды характерна диаграмма состояний, которая показывает зависимость фазовых переходов от давления и температуры. Кривая ОА называется кривой кипения и разделяет области жидкого и парообразного состояния воды. Кривая ОС называется кривой плавления и разделяет твердое и жидкое состояние воды. Третья кривая диаграммы ОВ – это кривая сублимации, разграничивающая твердое и парообразное состояние воды.

Вдоль названных кривых расположены точки, в которых разные фазы вещества находятся в состоянии равновесия. Точка О носит название тройной точки, она характеризует равновесие трех фаз воды.

Рис. 10.1.Диаграмма фазовых переходов воды.

Вода имеет специфическую особенность теплового расширения. Плотность воды при температуре 4 градуса Цельсия максимальна, поэтому в водоемах у дна вода всегда теплее, а ледяной покров меньшей плотности защищает живые организмы от переохлаждения.

В природе металлы встречаются в свободном состоянии и в виде соединений. В свободном состоянии существуют химически малоактивные, трудно окисляемые кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др.

Большинство металлов в природе встречаются в виде руд, т.е. горных пород, в которых находятся соединения металлов. Главным образом руды представляют собой химические соединения в виде оксидов: красный железняк, бурый железняк, боксит и др.

Металлы имеют свои отличительные свойства как физические, так и химические. К физическим свойствам относятся – цвет, электропроводность, плотность, теплопроводность, температура плавления.

На основе различных металлов получают их сплавы - это твердые или жидкие однородные растворы металлов. Свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств составляющих его элементов.

К химическим свойствам металлов относятся – по-разному реагируют с кислородом, некоторые металлы хорошо реагируют с водой.

Самопроизвольное разрушение металлических и других конструкционных материалов под химическим воздействием окружающей среды называется коррозией (от латинского korrosio – разъедание). Коррозия представляет собой гетерогенный окислительно-восстановительный процесс, протекающий на границе раздела фаз: металл – окружающая среда. Металл окисляется, а химические компоненты окружающей среды восстанавливаются.

По механизму коррозийного процесса различают два вида коррозии – химическую и электрохимическую. Химической коррозией называют разрушение металла в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе. В этом случае металл взаимодействует с агрессивными газами (газовая коррозия) или жидкими неэлектролитами (нефть, нефтепродукты и др.).

Газовой коррозии подвергаются все металлические элементы машин и механизмов различного типа. К агрессивным газам относят галогены (фтор, бром, иод, хлор), двуокись углерода, двуокись серы, водород, атмосферный воздух и др.

Минеральные удобрения также представляют собой природные ресурсы, которые в современных условиях играют важную роль в обеспечении экономической деятельности человека.

С точки зрения современной химии около 60 химических элементов принимают участие в развитии растительного мира. При этом в наибольшем количестве востребованы углерод, кислород и водород. Отсутствие или недостаток в растениях отдельных элементов приводит к нарушению их развития и гибели.

Поступление химических веществ в растения осуществляется различными путями – часть поступает из почвенных растворов (почвы), а часть – из воздуха. Питательные элементы вместе с растениями удаляются из почвы и переходят в неусвояемую форму. Происходит не только связывание элементов, но и естественные процессы, которые обеспечивают частичное возвращение химических элементов в почвы и воздух. Учитывая медленность протекания этих процессов, необходимо отметь постепенное снижение содержания необходимых химических элементов в почвах. Для поддержания нормальных условий роста растений возникает необходимость внесения в почву химических элементов в виде удобрений, важнейшими из которых являются минеральные.

Минеральные удобрения – это соли, содержащие элементы, необходимые для развития растений и используемые в целях получения оптимальных урожаев.

В нашей стране роль минеральных удобрений особенно велика, поскольку почвы Беларуси подзолистые и обеднены питательными веществами.

В настоящее время налажено производство минеральных удобрений в Солигорске, где работает мощный калийный комбинат. В г. Гродно осуществляется производство аммиачной селитры, аммиака, карбамида, а в г. Гомеле суперфосфатный завод производит серную кислоту и другие химические соединения неорганического типа.

По видам питательных элементов минеральные удобрения делятся на азотные, фосфорные, калийные, борные и т.д. Все минеральные удобрения по составу разделяют на простые, содержащие один питательный элемент; сложные вещества, в состав которых входят несколько питательных элементов в веществе, полученном путем химических реакций; смешанные, представляющие собой механические смеси удобрений из разнообразных частиц.

Стратегическим природным ресурсом является нефть, которая представляет собой сложную смесь органических веществ, главным образом углеводородов. Она может содержать в себе не только жидкие, но и растворенные твердые и газообразные вещества.

Состав нефти во многом определяется месторождением. Независимо от своего химического состава нефть является эффективным топливом и ценным сырьем для синтеза химических волокон, пластмасс, каучуков и других продуктов. Наиболее распространенной технологией переработки нефти является нефтефракционная перегонка. Первый прогон нефти – это фракция сырого бензина (температура кипения до 200^о С). При разгонке сырого бензина получают эфир и различные сорта бензина. При температуре 150-300^о С из нефти отделяется фракция керосина, после этого процесса остается мазут, используемый в качестве котельного топлива.

Пи дальнейшей перегонки из мазута при температуре выше 300^о С отгоняются соляровое и смазочное масла: веретенное, цилиндровое, машинное. После переработки мазута остается гудрон, который используется в дорожном строительстве в качестве покрытия.

Самым ценным продуктом переработки нефти является бензин, который в количестве 20% получается в процессе прямой перегонки нефти. Растущие потребности в данном виде топлива привели к разработке новых технологий, позволяющих получать до 80% бензина. Это достигается при помощи крекинга нефти, суть которого состоит в расщеплении больших молекул нефти на более мелкие под влиянием температуры.

Крекинг впервые был предложен русским ученым В.Г. Шуховым в 1891 г. и несколько позже (1916 г.) американскими учеными.

Различают несколько видов крекинга – термический крекинг, каталитический крекинг.

Крекинг позволяет также получать ценные газообразные вещества – этилен, который затем используется в различных химических производствах.