Роль химии в решении сырьевой экологической и пищевой проблем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Макеевский учебно-воспитательный комплекс № 93 «Гармония»

Роль химии в решении сырьевой, продовольственной, энергетической и экологической проблем

Реферат по химии

Выполнили ученицы 11 - А класса

2015 год

План

1. Введение.

2. Химия в решении сырьевой проблемы.

3. Продовольственная проблема и химия.

4. Экологическая проблема и пути её решения.

5. Заключение.

1. Введение

химический экологический продовольственный корм

В наши дни, когда человеческое развитие достигло высот, такие проблемы, как экология, продовольствие, энергия заставляют задуматься о будущем. Как мне кажется, эта тема наиболее актуальна сейчас и поэтому я выбрала её.

Для решения этих проблем химия объединяется с биологией, геологией, физикой, кибернетикой, и другими науками.

2. Химия в решении сырьевой проблемы

С начала XVI в. из недр Земли было извлечено 50 млрд.т углерода, 2 млрд.т железа, 20 млн т меди, 20 тыс. т золота. За последние 30 лет цветных и редких металлов добыто больше, чем за всю предыдущую историю.

Превращение сырья в более ценные химические вещества, создание из них материалов, нужных человеку, является главной целью любого химического производства. Потребность в них удваивается каждые 11 лет. Переработка сырья химическими способами требует от 10 до 20 млрд. т в год основного окислителя - кислорода, кроме того, 2.5 млрд. т угля как топлива и столько же нефти. Из этих примеров видно, каких масштабов достигло потребление сырья промышленными предприятиями.

Сегодня понятно всем, что кладовая Земли не бездонна. И если Необходимые и легко доступные полезные ископаемые извлекать так же, как и это делалось и в начале века, то они быстро иссякнут. Конечно, мы знаем, что ничто из ничего не возникает и не исчезает бесследно, т. е. использованные вещества, материалы, отслужив свой век, разлагаются, распадаются, но ведь химические элементы, из которых они состоят, рассеиваются в биосфере. Задача состоит в том, чтобы устранить эти потери.

Какие же пути решения сырьевой проблемы намечены на данном этапе научно- технического прогресса и в перспективе?

Для сохранения природных ресурсов у человечества в будущем есть только один выход: замкнуть цикл обмена веществ, перейдя от технологии геохимически открытой системы к технологии геохимически замкнутого цикла.

Живая природа - это "безотходное производство". Отходы какого-то вида жизнедеятельности в природе экосистеме утилизируется либо в ней самой, либо в связанных с ней системах. Лишь какое-то количество веществ для которых в данный момент нет потребления, "складируются" в виде известняка, торфа, угля, растворённых в природных водах солей и т. д., участвуя лишь в геологическом круговороте веществ.

Химизация производства по технологии замкнутого цикла позволяет использовать все вещества, изымаемые из природы, по различным направлениям. Иллюстрацией может служить один из самых старых примеров - коксохимическое производство, при котором из каменного угля получают кокс, горючий газ и другие продукты сухой перегонки. В настоящие время такая же задача ставится в отношении переработки других видов сырья, например, леса.

В содружестве с химией и другими науками развивается новая отрасль знаний о методах и средствах бесшахтной добычи сырья и о создании искусственных месторождений - геотехнология. В чём же её новизна? К подземному пласту, содержащему, например, уран, цинк, или другие металлы, через пробуренную скважину подводится химический растворитель или окислитель. Под землёй происходит химико-физический процесс растворения, и насыщенная ценными компонентами жидкость выкачивается на поверхность, где и перерабатывается химическими методами. Такой способ подземного выщелачивания позволяет резко увеличить эффективность э ксплуатации минеральных ресурсов.

Современная наука считает весьма перспективным применение микроорганизмов. Новая отрасль - биометаллургия - базируется на закономерностях биохимических процессов. При этом не требуется сложное оборудование, столь необходимое для пирометаллургии, расходуется меньше энергии. Метод использования микроорганизмов давно уже применяется в России, США, Канаде, Австралии для восстановления серебра, меди, никеля,свинца, урана и цинка.

Химики создают новые материал, основываясь на знаниях физико-химических свойств природных веществ и геохимических закономерностей их образования и строения.

Нарастает дефицит углеводородного сырья, а поэтому проблема использования нефти, угля и газа в качестве сырья, а не топлива имеет сегодня первостепенную задачу. Современному человеку трудно представить, что почти 200 лет тому назад нефть использовали лишь как смазку для колёс повозок, как лекарство и горючие для светильников.

Нефтеперерабатывающие предприятия производят непредельные и ароматические углеводороды (этилен, толуол, ксилол) и газовые смеси оксида углерода (II) с водородом. Из них синтезируют десятки тысяч других полезных материалов.

Из природного газа получают ацетилен, муравьиный альдегид, метанол, сажу, сероуглерод, водород, синильную кислоту и др. Уголь служит источником органических веществ. Возможно, что в дальнейшем все углеводородное сырьё пойдёт на синтез разнообразных материалов. Топливом же будет служить ядерное горючее или какой-либо другой вид топлива. Это одно из решений сырьевой и энергетической проблем.

3. Продовольственная проблема и химия

Население нашей планеты растёт. Это значит, что уже сейчас необходимо задуматься над тем, как обеспечить население Земли питанием в предвидимом будущем.

В решении продовольственной проблемы в глобальном масштабе основной акцент делается на увеличение производства растительной и животной пищи естественного происхождения. Увеличение же объёма производства пищи естественного производства, по мнению специалистов, будет в ближайшем будущем достигаться за счёт создания благоприятных условий для размножения и роста растений и животных. Сюда относится в первую очередь применение удобрений, а затем стимуляторов роста, искусственных кормов для сельскохозяйственных животных, средств защиты растений и животных, введение в практику питания новых продуктов, добытых в океане, и т. д.

Начнём с удобрений. Без них немыслимо современное сельское хозяйство.

Один из главных элементов, вводимых в почву в составе минеральных удобрений,- азот. Если водород, кислород, углерод доставляются растениям с водой и углекислым газам, то азот, без которого невозможен синтез аминокислот и, следовательно, белка, поступает в растения через корневую систему в виде нитратов и иона аммония, которых обычно в почве не хватает. Поэтому производство азотных удобрений - это одна из мощнейших отраслей химической промышленности сегодняшнего дня. Большую их часть получают из аммиака, который в свою очередь синтезируют из водорода и азота в присутствии катализаторов при температуре от 400 до 500°С .

Пока, однако, сельскому хозяйству требуются огромные количества азотных удобрений: аммиака и производимых из него сульфата, карбоната и нитрата аммония, а также мочевины. Аммиак - это самое концентрированное азотное удобрение (содержит более 80% азота). В настоящее время он является одним из главных продуктов большой химии.

По содержанию азота следующим за аммиаком удобрением является мочевина (NH2)2CO.Исходными веществами для её синтеза являются аммиак и углекислый газ. Последний представляет собой побочный продукт при конверсии метана из водяного газа. Поэтому современное производство аммиака и мочевины комплексное, на "входе" которого - метан, азот и кослород атмосферы, а так же вода, а на "выходе" - аммиак и мочевина. В настоящие время 85 - 90% всей получаемой в мире мочевины идёт на производство удобрений.

В ближайшие десятилетия должен произойти не только резкий количественный рост, но и качественные изменения в характере производимых удобрений.

Большие потери урожая связанны с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений. Гибнет примерно одна треть урожая. Если отказаться от применения химических средств защиты растений, то эта доля удвоится.

Отказаться от пестицидов сейчас невозможно. Более того их применение постоянно растёт. Но использовать пестициды, как и другие токсичные вещества, да ещё столь распространённые, следует очень осторожно: с водой и пищей они могут попасть в организм человека и о том, что некоторые из них накапливаются в организме, а это увеличивает их токсическое действие. Их рассеивание в природе может оказывать отрицательное действие на природные экосистемы. И это ставит перед химиками сложные задачи. Первая из них - разработка методов контроля содержания пестицидов в пище. Вторая задача - усовершенствование пестицидов. Практика требует от химиков создания таких пестицидов, которые не вымывались бы с полей в реки и другие природные экосистемы, вообще не оказывали бы вредного воздействия на окружающую среду. Кроме насекомых, значительную часть урожая уничтожают или портят бактерии, вирусы, грибы. Работа по созданию современных химических средств защиты от них ещё только развёртывается, это дело будущего. Здесь предоставляют прекрасные возможности для творческой деятельности химиков.

Одной из главных составных частей общей проблемы обеспечения пищей растущего населения земного шара является проблема полноценного белка в пище. Растительный белок, как правило, содержит лишь очень небольшое количество аминокислот, в том числе так называемых незаменимых, т.е. таких, которые не синтезируются в организме человека или синтезируются со скоростью, недостаточной для потребностей жизнедеятельности организма. Значит, они должны поступать в достаточном количестве с пищей, содержащей все нужные аминокислоты. Такой пищей может быть животный белок.

В животноводстве приобретают всё большее значение искусственные, производимые на специальных заводах корма. Для увеличения массы домашний скот должен в достаточном количестве снабжаться сырьём. Это может быть растительный белок, рыбная мука и т. д. Однако при расширении масштабов животноводства и увеличении спроса на его продукцию этих источников белка может не хватать, поэтому химики совместно с биологами давно уже начали искать пути замены таких кормов. Одним из хороших заменителей оказалась мочевина (NH2)2CO.

Другой путь обеспечения сельскохозяйственных животных полноценными белками основан на его микробиологическом синтезе с использованием дрожжей и бактерий.

Получение биомассы путём микробиологического синтеза - это основа индустриального производства пищи в будущем. Сырьём могут служить самые разнообразные вещества, в том числе растительные отходы. Так как микробиологический синтез осуществляется на заводах, производство белка

таким способом не требует ни больших пахотных площадей земли, ни благоприятных погодных условий. Оно идёт равномерно и непрерывно, поддаётся механизации и автоматизации.

Пока получаемая биомасса применяется лишь как корм для животных. Чтобы использовать её в качестве пищи для людей, необходимо решить ряд проблем.

Главная из них - тщательная проверка такого продукта на безвредность, отсутствие побочных последствий длительного употребления. Необходимо исследовать усвояемость разных видов "одноклеточных" белков, так как содержание в них аминокислот ещё не говорит о свойстве хорошо перевариваться в пищеварительном тракте человека. Известно, например, что белок высших грибов (а дрожжи - их родственники) плохо усваивается человеком, а свободные аминокислоты в значительной мере "перехватываютя" в пищеварительном тракте живущими там бактериями.

Кроме микробиологического синтеза белков, методами биотехнологии в настоящее время получают витамины, антибиотики, гормональные препараты, энзимы, некоторые биополимеры, инсектициды, красители для пищевых продуктов и т.д.

4. Экологическая проблема и пути её решения

Научно-технический прогресс, дающий человеку много благ, одновременно оказывает и отрицательное влияние на окружающую природу.

В промышленно развитых странах на одного жителя ежегодно в атмосферу попадает до 150 -200 кг пыли, золы и других промышленных выбросов. За сутки промышленность мира сбрасывает более 100 млн. м3 сточных вод.

Мощным источником загрязнения атмосферы являются все виды транспорта, работающие на тепловых двигателях. Выбрасываемые ими вещества в целом идентичны газообразным отходам промышленного происхождения. С выхлопными газами автомобилей в воздух попадают оксиды углерода, азота, серы, альдегиды, несгоревшие углеводороды, а также продукты, содержащие хлор, бор, фосфор и свинец. Загрязняют атмосферу дизельные двигатели автомобильного, водного и железнодорожного транспорта.

В крупных городах - Лондоне, Лос-Анжелесе, Чикаго, Токио, Милане и других - бывает густой туман, смог, токсичный от наличия в нём ядовитых выхлопных автомобильных газов. Смог появляется в следствие фотохимических реакций оксидов азота, несгоревших углеводородов с озоном.

Вредное воздействие на гидросферу оказывают продукты нефтихимических предприятий, сырая нефть, перевозимая танкерами. Исследования Атлантического океана и шельфовых вод Европы и Северной Америки показывают, что уровень загрязнения в открытом океане в 2 - 3 раза меньше, чем в прибрежных водах, где плёнка из нефти держится более продолжительное время. 1 т нефти способна покрыть тонкой плёнкой поверхность водного массива площадью 1200га.

Кроме того, в различных отраслях промышленности используется громадное количество новых соединений, отсутствующих в природе. Ежегодно их синтезируется в мире более 250 тыс., из них около 300 находят промышленное применение и могут попасть в окружающую среду. По данным Всемирной организации здравоохранения, среди химических соединений, используемых в промышленном масштабе, примерно 40 тыс. вредны для человека. Процесс загрязнения окружающей среды несвойственной ей веществами, раньше носивший локальный характер, в последнее время принял глобальные масштабы. Особенно

загрязнение среды такими несвойственными биосфере элементами, как свинец, ртуть, кадмий. Мощность техногенного воздействия на живую природу достигла такой величины, что возникла опасность необратимых изменений за счёт нарушения слагавшихся в течение миллионов лет природных динамических равновесий. Даже загрязнение среды такими характерными для природных круговоротов веществами, как нитраты, соли аммония, фосфаты, достигло на значительных участках земной поверхности концентраций, при которых природные механизмы оказываются недостаточными для плавного включения этих веществ в круговорот. В результате, например, во многих крупных водоёмах земного шара произошло резкое изменение в экосистемах, что привело к большому обеднению видами живых организмов.

Какой же выход видит наука, в частности химия, из создавшегося экологического кризиса? Ведь химизация промышленного и сельского хозяйства не означает разрушения всего живого, а, наоборот, предлагает пути решения проблем современности. Прежде всего это создание технологий, по которым большая часть природных ресурсов, вовлекаемых в хозяйственный оборот, должна будет преобразовываться в полезную продукцию. Ту часть, которую на современном уровне развития науки и техники нельзя использовать, необходимо обезвредить. Уже сегодня промышленные объекты имеют очистные сооружения для сточных вод, газо- и пылеулавливающие устройства, внедряются замкнутые системы водоснабжения, малоотходные технологические системы.

Для очистки воздуха и жидкостей от вредных примесей химики-технологи применяют абсорбционные, адсорбционные и каталитические методы. При абсорбации вредных веществ происходит их растворение во всём объёме поглотителя или химическое взаимодействие в абсорбационной жидкости ( чаще всего в воде) с реагентом. Процесс абсорбации основан на способности некоторых мелкопористых веществ (уголь, силикагель) поглощать растворённые или газообразные вещества своей поверхностью.

Большое внимание химики-технологи уделяют производству таких новых химических средств защиты растений, которые полностью разлагаются в течение нескольких недель, а то и часов после их внесения на поля.

Экологической химией разрабатываются отдельные промышленные производства по схеме биоценозов, в которых виды живых организмов связаны между собой так, что не происходит "выпадения" из круговорота химических элементов или веществ: отходы одного предприятия служат сырьём для другого. Создаются системы комплексного производства путём территориального и функционального объединения производств, использующих разные стороны используемого сырья.

В решении экологической проблемы химики работают в тесном сотрудничестве с биологами, физиками, географами, применяя математическое моделирование и кибернетику.

5. Заключение

Химия в сотрудничестве с биологией внедряют в сельское хозяйство новые технологии, позволяющие уничтожать, как сорные растения, так и получать повышенные урожаи. Это немаловажно, так как прирост населения Земли стремительно растёт, а следовательно проблема продовольствия и энергии займёт ведущее место. Использование атомной энергии позволяет отказаться от природного угля и нефти. Вследствие этого снижаются выбросы продуктов их горения, которые возможно привели бы к "парниковому эффекту "на Земле.

Казалось бы, то ничтожно малое (по сравнению с углем и нефтью) количество топлива для АЭС должно быть безопасным, но дело далеко не так, ярким примером может служит авария на ЧАЭС.

По-моему, любой способ извлечения энергии ( в любом виде) из недр Земли представляет собой совокупность положительных и отрицательных черт, и как мне кажется, преобладают далеко не положительные. На мой взгляд, существует только один практически безопасный способ добычи энергии: активное использование энергии Солнца и ветра, исключая использование энергии вод Мирового Океана.

Размещено на Allbest.ru