Значення хімії як науки

Міністерство освіти і науки України

ПВНЗ «Європейський Університет»

Черкаська філія

Реферат

з Хімії

На тему: Значення хімії як науки

Черкаси 2010

1. Роль хімії у вирішенні глобальних проблем людства

1.1 Розвиток хімії та зростання її ролі в сучасному житті

Хімія, наука про склад речовин і їх перетворення, починається з відкриття людиною здатності вогню змінювати природні матеріали. Люди уміли виплавляти мідь і бронзу, обпалювати глиняні вироби, отримувати скло ще за 4000 років до н.е. З 7 в. до н.е. Єгипет і Месопотамія стали центрами виробництва барвників; там же отримували в чистому вигляді золото, срібло і інші метали. Приблизно з 1500 до 350 до н.е. для виробництва барвників використали перегонку, а метали виплавляли з руд, змішуючи їх з деревним вугіллям і продуваючи через суміш, що горить - повітря. Самим процедурам перетворення природних матеріалів давали містичне значення.

З розвитком фізичних теорій про будову атомів і молекул були переосмислені такі старі поняття, як хімічна спорідненість і трансмутація. Виникли нові уявлення про будову матерії.

У 1896 Антуан Анрі Беккерель (1852 - 1908) відкрив явище радіоактивності, виявивши спонтанне випущення солями урану субатомних часток, а через два роки дружина Пьера Кюрі (1859 - 1906) і Марія Кюрі (1867 -1934) виділила два радіоактивних елементи: полоній і радій. Відкриття Фредеріка Содді (1877 - 1956), що показало, що при радіоактивному розпаді відбувається перетворення одних речовин в інші, дало нове значення тому, що древні називали трансмутація.

У 1897 Джозеф Джон Томсон (1856 - 1940) відкрив електрон, заряд якого з високою точністю виміряв в 1909 Роберт Міллікен (1868 - 1953). У 1911 Ернст Резерфорд (1871 - 1937), виходячи з електронної концепції Томсона, запропонував модель атома: в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, а навколо нього обертаються негативно заряджені електрони. У 1913 Нільс Бор (1885 - 1962), використовуючи принципи квантової механіки, показав, що електрони можуть знаходитися не на будь-яких, а на суворо визначених орбітах. Планетарна квантова модель атома Резерфорда примусила вчених по-новому підійти до пояснення будови і властивостей хімічних сполук.

Німецький фізик Вальтер Коссель (1888 - 1956) передбачив, що хімічні властивості атома визначаються числом електронів на його зовнішній оболонці, а утворення хімічних зв'язків зумовлюється в основному силами електростатичної взаємодії. Американські вчені Гілберт Ньютон Льюїс (1875 - 1946) і Ірвінг Ленгмюр (1881 - 1957) сформулювали електронну теорію хімічного зв'язку. Відповідно до цих уявлень молекули неорганічних солей стабілізуються електростатичними взаємодіями між іонами, що входять до їх складу, які утворяться при переході електронів від одного елемента до іншого (іонний зв'язок).

Всі нові уявлення про будову речовини могли формуватися тільки внаслідок розвитку у 20 ст. експериментальної техніки і появи нових методів дослідження. Відкриття в 1895 Вільгельмом Конрадом Рентгеном (1845 - 1923) Х-променів послужило основою для створення згодом методу рентгенівської кристалографії, що дозволяє визначати структуру молекул по картині дифракції рентгенівських променів на кристалах. За допомогою цього методу була розшифрована структура складних органічних сполук інсуліну, ДНК, гемоглобіну і ін. З створенням атомної теорії з'явилися нові могутні спектроскопічні методи, що дають інформацію про будову атомів і молекул.

Біохімія. Ця наукова дисципліна, що займається вивченням хімічних властивостей біологічних речовин, спочатку була одним з розділів органічної хімії. У самостійну область вона виділилася в останнє десятиріччя 20 ст. внаслідок досліджень хімічних властивостей речовин рослинного і тваринного походження. Одним з перших біохіміків був німецький вчений Еміль Фішер (1852 - 1919). Він синтезував такі речовини, як кофеїн, фенобарбітал, глюкозу, вніс великий внесок в науку про ферменти білкових каталізаторів, уперше виділених в 1878. Формуванню біохімії як науки сприяло створення нових аналітичних методів. У 1923 шведський хімік Теодор Сведберг (1884 - 1971) сконструював ультрацентрифугу і розробив новий метод визначення молекулярної маси макромолекул, головним чином білків. Асистент Сведберга Арне Тізеліус (1902 - 1971) в тому ж році створив метод електрофорезу більш довершений метод розділення гігантських молекул, заснований на відмінності в швидкості міграції заряджених молекул в електричному полі. У 1944 англійські хіміки Арчер Мартін ( 1910) і Річард Синг ( 1914) запропонували новий варіант методу: вони замінили трубку з адсорбентом на фільтрувальний папір. Так з'явилася паперова хроматографія один з найбільш поширених в хімії, біології і медицині аналітичних методів, за допомогою якого в кінці 1940х початку 1950-х років вдалося проаналізувати суміші амінокислот, що виходять при розщепленні різних білків, і визначити склад білків. Внаслідок копітких досліджень був встановлений порядок розташування амінокислот в молекулі інсуліну (Фредерік Сенгер, 1953), а до 1964 цей білок вдалося синтезувати. Зараз методами біохімічного синтезу отримують багато гормонів лікарських засобів, вітамінів.

Промислова хімія. Ймовірно, найбільш важливим етапом в розвитку сучасної хімії було створення у 19 в. різних дослідницьких центрів, що займалися, крім фундаментальних, також прикладними дослідженнями. На початку 20 ст. ряд промислових корпорацій створили перші промислові дослідницькі лабораторії. У США в 1903 була заснована хімічна лабораторія «Дюпон», а в 1925 лабораторія фірми «Белл». Після відкриття і синтезу в 1940-х роках пеніциліну, а потім і інших антибіотиків з'явилися великі фармацевтичні фірми, в яких працювали професійні хіміки. Велике прикладне значення мали їх дослідження в області хімії високомолекулярних сполук. Одним з її основоположників був німецький хімік Герман Штаудінгер (1881 - 1965), що розробив теорію будови полімерів. Інтенсивні пошуки способів отримання лінійних полімерів привели в 1953 до синтезу поліетилену (Карл Циглер, 1898 - 1973), а потім інших полімерів із заданими властивостями. Сьогодні виробництво полімерів найбільша галузь хімічної промисловості.

1.2 Роль хімії у розв'язанні сировинних проблем

Невідповідність між запасами і споживанням деяких видів сировини висуває проблему її бережливого й раціонального використання. У зв'язку з цим хіміки ставлять перед собою такі найголовніші завдання:

1) розвідування й застосування дешевої сировини, нових видів альтернативних сировинних матеріалів;

2) комплексне використання сировини;

3) розробка нових ефективних методів рециркуляції, тобто багаторазового використання різних видів сировини, наприклад металів;

4) використання відходів як сировини.

Останнім часом хіміки намагаються застосовувати місцеву сировину. Це вигідно, оскільки не вимагає витрат на далекі перевезення.

Історія розвитку хімічної промисловості знає чимало прикладів, коли та чи інша речовина з пустої породи або відходів виробництва перетворювалася на цінну сировину. Наприклад, хлорид калію КСІ наприкінці минулого сторіччя був пустою породою під час добування кухонної солі з сильвініту (мінерал КСІ - N₃0₁). Тепер сильвініт переробляють з метою вилучення з нього хлориду калію КСІ для виробництва цінних мінеральних добрив, а хлорид натрію N_зО₁ перетворився на відходи.

Багато рідкісних металів раніше не знаходили застосування через їх промислову недоступність, але потреби в цих металах атомної енергетики, мікроелектроніки, радіотехніки, космічної техніки, які сьогодні визначають науково-технічний прогрес, зробили можливим промислове добування розсіяних елементів.

Комплексне використання сировини спрямовується на застосування всіх її головних частин для добування корисних продуктів або матеріалів. Це означає, що з одного виду сировини можна добути велику кількість різних продуктів. Наприклад, нині деревина використовується не лише як джерело виготовлення меблів, а й як джерело величезних матеріальних цінностей.

Хіміки відповідають за раціональне використання сировини, її комплексну переробку, ліквідацію відходів, багато з яких завдають непоправної шкоди довкіллю та здоров'ю людини. Отже, розробка нових способів комплексного використання сировини має величезне значення.

Хімія має велике значення і в розробці способів переведення речовин, що прореагували, у початковий стан для їх повторного використання (рециркуляція, регенерація сировини).

Наприклад, уже зараз досить широко використовуються метали у вигляді вторинної сировини (так званого скрапу). Майже половина світового виробництва сталі базується на скрапі.

Невичерпним джерелом сировини є промислові й побутові відходи. Вони отруюють водойми, заражують ґрунт і повітря, захаращують території. Завдання хіміків полягає у знешкодженні відходів. Для цього будують спеціальні очисні споруди.

В Україні встановлено норми допустимого вмісту речовин у газоподібних промислових викидах і стічних водах. Але головне завдання хіміків полягає у створенні безвідхідних виробництв, де відходи використовуються для добування необхідних продуктів. Реалізація такого завдання тісно поєднана з комплексним використанням сировини і комбінуванням виробництв, коли відходи одного заводу стають сировиною для іншого, і тоді завод переростає у комбінат.

Велике місце займають хімічні матеріали в машинобудуванні. Так, наприклад, використання полімерних матеріалів у машинобудуванні росте такими темпами, які не знають прецеденту у всій людській історії. Приміром, у 1976 1. машинобудування нашої країни спожило 800000 т пласт мас, а в 1960 р. - всього 116 000 т. При цьому цікаво відзначити, що ще десять років тому в машинобудування направлялося 37--38% усіх пластмас, що випускаються в нашій країні, а 1980 р. частка машинобудування у використанні пластмас знизилася до 28%. І справа отут не в тім, що могла б знизиться потреба, а в тім, що інші галузі народного господарства стали застосовувати полімерні матеріали в сільському господарстві, у будівництві, у легкій і харчовій промисловості ще більш інтенсивно.

При цьому доречно відзначити, що в останні роки трохи змінилася і функція полімерних матеріалів у будь-якій галузі. Полімерам стали довіряти усе більш і більш відповідальні задачі. З полімерів стали виготовляти усе більше щодо дрібних, але конструктивно складних і відповідальних деталей машин і механізмів, і в той же час усі частіше полімери стали застосовуватися у виготовленні великогабаритних корпусних деталей машин і механізмів, що несуть значні навантаження. Нижче буде докладніше розказано про застосування полімерів в автомобільній і авіаційній промисловості, тут же згадаємо лише один примітний факт: кілька років назад по Москві ходив цельнопластмассовий трамвай. А от інший факт: чверть усіх дрібних судів - катерів, шлюпок, човнів - тепер будується з пластичних мас.

До недавніх пір широкому використанню полімерних матеріалів у машинобудуванні перешкоджали два, здавалося б, загальновизнаних недоліку полімерів: їх низька (у порівнянні з марочними сталями) міцність і низька теплостійкість. Рубіж міцносних властивостей полімерних матеріалів удалося перебороти переходом до композиційних матеріалів, головним чином стекло й вуглепластиками. Так що тепер вираження “пластмаса міцніша стали” звучить цілком обґрунтовано. У той же час полімери зберегли свої позиції при масовому виготовленні величезного числа тих деталей, від яких не потрібно особливо висока міцність: заглушок, штуцерів, ковпачків, рукояток, шкал і корпусів вимірювальних приладів. Ще одна область, специфічна саме для полімерів, де чіткіше всього виявляються їхня переваги перед будь-якими іншими матеріалами, - це область внутрішньої і зовнішньої обробки.

Майже три чверті внутрішньої обробки салонів легкових автомобілів, автобусів, літаків, річкових і морських судів і пасажирських вагонів виконується нині з декоративних пластиків, синтетичних плівок, тканин, штучної шкіри. Більш того, для багатьох машин і апаратів тільки використання антикорозійної обробки синтетичними матеріалами забезпечило їх надійну, довгострокову експлуатацію. Приміром, багаторазове використання виробу в екстремальних фізико-технічних умовах (космосі) забезпечується, зокрема, тим, що вся його зовнішня поверхня покрита синтетичними плитками, до того ж приклеєними синтетичним поліуретанової чи поліепоксидним клеєм. А апарати для хімічного виробництва? У них усередині бувають такі агресивні середовища, що ніяка марочна сталь не витримала б. Єдиний вихід - зробити внутрішнє облицювання з чи платини з плівки фторопласта. Гальванічні ванни можуть працювати тільки за умови, що вони самі і конструкції підвіски покриті синтетичними смолами і пластиками.

Широко застосовуються полімерні матеріали й у такій галузі народного господарства, як приладобудування. Тут отриманий найвищий економічний ефект у середньому в 1,5-2,0 рази вище, ніж в інших галузях машинобудування. Порозумівається це, зокрема тим що велика частина полімерів переробляється в приладобудуванні самими прогресивними способами що підвищує рівень корисного використання (і безвідходність) термопластів, збільшує коефіцієнт заміни дорогих матеріалів. Поряд з цим значно знижуються витрати живої праці. Найпростішим і дуже переконливим прикладом може служити виготовлення друкованих схем: процес, не мислимий без полімерних матеріалів, а з ними і цілком автоматизований.

Є й інші підгалузі, де використання полімерних матеріалів забезпечує й економію матеріальних і енергетичних ресурсів, і ріст продуктивності праці. Майже повну автоматизацію забезпечило застосування полімерів у виробництві гальмових систем для транспорту. Неспроста практично усі функціональні деталі гальмових систем для автомобілів і близько 45% для залізничного рухливого складу робляться із синтетичних прес-матеріалів. Близько 50% деталей обертання і зубчастих коліс виготовляється з міцних конструкційних полімерів. В останньому випадку можна відзначити двох різних тенденцій. З одного боку, усі частіше з'являються повідомлення про виготовлення зубчастих коліс для тракторів з капрону. Обривки відслуживших своє рибальських мереж, старі панчохи і путанку капронових волокон переплавляють і формують у шестірні. Ці шестірні можуть працювати майже без зносу в контакті зі сталевими, вдодаток така система не має потребу в змащенні і майже безшумна. Інша тенденція - повна заміна металевих деталей у редукторах на деталі з вуглепластиків. У них теж відзначається різке зниження механічних утрат, тривалість терміну служби.

Ще одна область застосування полімерних матеріалів у машинобудуванні, гідна окремого згадування, - виготовлення металорізального інструмента. В міру розширення використання міцних сталей н сплавів усе більш тверді вимоги пред'являються до обробного інструменту. І тут теж на виторг інструментальнику і верстатнику приходять пластмаси. Але не зовсім звичайні пластмаси надвисокої твердості, такі, котрі сміють посперечатися навіть з алмазом. Король твердості, алмаз, ще не скинуть зі свого трону, але справа йде до тому. Деякі окисли (наприклад з роду фіанитів), нітриди, карбіди, уже сьогодні демонструють не меншу твердість, так до того ж і велику термостійкість. Усе лихо в тім, що вони поки ще більш дороги, чим природні і синтетичні алмази, так до того ж їм властиві “королівські вади” - вони здебільшого тендітні. От і приходиться, щоб удержати їх від розтріскування, кожне зернятко такого абразиву оточувати полімерним упакуванням найчастіше з фенолформальдегидних смол. Тому сьогодні три чверті абразивного інструмента випускається з застосуванням синтетичних смол.

Такі лише деякі приклади н основні тенденції впровадження полімерних матеріалів у підгалузі машинобудування. Саме ж перше місце по темпах росту застосування пластичних мас серед інших підгалузей займає зараз автомобільна промисловість. Десять років тому в автомашинах використовували від 7 до 12 видів різних пластиків, до кінця 70-х років це число переступило за 30. З погляду хімічної структури, як і випливало очікувати, перші місця по обсязі займають стирольні пластики, полівінілхлорид і поліолефіни. Поки ще небагато уступають їм, але активно доганяють поліуретани, поліефіри, акрилати й інші полімери. Перелік деталей автомобіля, що у тих чи інших моделях у наші дні виготовляють з полімерів, зайняв би не одну сторінку. Кузови і кабіни, інструменти й електроізоляція, обробка салону і бампери, радіатори і підлокітники, шланги, сидіння, дверцята, капот. Більш того, кілька різних фірм за рубежем вже оголосили про початок виробництва суцільнопластмасових автомобілів. Найбільш характерні тенденції в застосуванні пластмас для автомобілебудування, загалом, ті ж, що й в інших підгалузях. По-перше, це економія матеріалів: безвідхідне чи маловідходне формування великих блоків і вузлів. По-друге, завдяки використанню легких і полегшених полімерних матеріалів знижується загальна вага автомобіля, а виходить, буде заощаджуватися пальне при його експлуатації. По-третє, виконані як єдине ціле, блоки пластмасових деталей істотно спрощують зборку і дозволяють заощаджувати живу працю.

До речі, ті ж переваги стимулюють і широке застосування полімерних матеріалів в авіаційній промисловості. Наприклад, заміна алюмінієвого сплаву графітопластиком при виготовленні предкрилка крила літака дозволяє скоротити кількість деталей з 47 до 14, кріплення - з 1464 до 8 болтів, знизити вага на 22%, вартість - на 25%. При цьому запас міцності виробу складає 178%. Лопати вертольота, лопатки вентиляторів реактивних двигунів рекомендують виготовляти з поліконденсаційних смол, наповнених алюмосилікатними волокнами, що дозволяє знизити вагу літака при збереженні міцності і надійності. По англійському патенті № 2047188 покриття несущих поверхонь чи літаків лопат роторів вертольотів шаром поліуретану товщиною всього 0,65 мм у 1,5-2 рази підвищує їхня стійкість до дощової ерозії. Тверді вимоги були поставлені перед конструкторами першого англо-французького надзвукового пасажирського літака “Конкорд”. Було розраховано, що від тертя об атмосферу зовнішня поверхня літака буде розігріватися до 120-150° С, і в той же час було потрібно, щоб вона не піддавалася ерозії протягом щонайменше 20000 годин. Рішення проблеми було знайдено за допомогою поверхневого покриття захисту літака найтоншою плівкою фторопласта.

1.3 Вплив хімії на довкілля

Хімічна промисловість разом з користю приносить і багато шкоди, особливо це стосується забруднення навколишнього середовища. Найбільше потерпають атмосферний басейн, водна система, грунти. Однак при розумному підході негативний вплив на довкілля можна максимально зменшити. При цьому ще хімічна промисловість може боротися із забрудненням довкілля, впроваджуючи різноманітні утилізаційні технології тощо.

Отже, роль хімії у житті людини досить велика, її важко переоцінити. Сучасний прогрес неможливий без хімії!