Історичні кроки розвитку хімії - Хімія - Скачать бесплатно

Історія хімії почалася ще в далекій давнині. Метали, скло і перші будівельні цеглини - всі ці матеріали з’явилися в золі доісторичних печей. Однак формування хімії як науки почалося лише наприкінці XVIII ст. Дотепер існують розроблені в той час хімічні процеси, наприклад дубління, пивоварство, виплавка заліза. Тоді вони виконувалися без глибокого розуміння, але з великою досконалістю, воістину здавалися чудом хімічного мистецтва. Усі необхідне людині - їжа, одяг, ліки, фарби - виготовляли шляхом переробки майже винятково рослинної і тваринної сировини. Коли ж зростаючий попит не міг більше задоволнятися цією сировиною, хіміки стали проводити свої експерименти з іншими вихідними матеріалами, такими, як поварена сіль, вапняк, вугілля і кам'яновугільна смола. Але навіть і тоді вони усе ще не могли усвідомити майже безмежні можливості своєї науки.

Довгий час зусилля хіміків були спрямовані винятково на синтез природних речовин. Плоди початих у цьому напрямку зусиль тепер ми цілком можемо оцінити по достоїнству: у наші дні синтезуються найрізноманітніші продукти, починаючи від аміаку і кінчаючи гормонами комах. Однак основні матеріали, наприклад скло, залізо, сталь, мідь, цемент, кераміка і натуральні волокна, були відомі ще древнім грекам. З кінця XIX ст. цей перелік доповнився власне тільки целюлозою, гумою й алюмінієм. Здавалося, що хімії призначено споконвіку рухатися в границях, обкреслених природою. І тільки з появою в першій половині XX ст. синтетичних речовин хімікам вдалося перебороти цей «при-

родний бар'єр». Тепер навіть простим людям ясно, що хімія володіє продуктивними силами, що дозволять далеко перевершити природні зразки. В міру розвитку хімії усе більше зростають можливості синтезування самих складних природних речовин.Але ще швидше росте можливість створення принципово нових речовин, у яких у природі немає ніякого аналогів : речовин з непередбаченими, незвичайними властивостями чи з комбінацією таких властивостей.

Заснований на аналізі речовин синтез зовсім нових продуктів і матеріалів робить хімію могутньою продуктивною силою. Потенційні можливості хімічного перетворення і зміни природних речовин в інтересах людини воістину безмежні. Все зростаючим потоком течуть у «реторти» хіміків нафта, газ, вугілля, мінеральні солі, силікати і руди, перетворюючи у фарби, лаки, мила, добрива, моторні палива, пластмаси, штучні волокна, засоби захисту рослин, біологічно активні речовини, ліки і вихідна сировина для хімічних виробництв. Отримані наприкінці більш-менш довгого ланцюга перетворень готові продукти часом мають у тисячі разів вбільшу цінність, чим вихідна сировина.Темпи науково-технічних в області хімії швидко ростуть в усьому світі. Якщо в середині XIX ст. на перетворення чорнового варіанта процесу електрохімічного одержання алюмінію (1854 р.) у промисловий метод треба було 35 років, то в 50-ті роки нашого століття великомасштабне виробництво поліетилену низького тиску було створено менше чим за 4 роки. На впровадження розробленого в лабораторії методу в промисловість у даний час потрібно в середньому 6-10 років, однак при дуже сприятливих умовах цей час може бути скорочений до трьох років. На великих підприємствах приблизно 25% загальних оборотних коштів витрачається протягом десятиліття на нові методи і вироби, а через 10 років хімічні заводи і фабрики вже обновляють свій асортимент. Таким чином, хімічні підприємства у всіх країнах у даний час випускають 50% продукції, який 20 років тому взагалі не було. На деяких хімічних комбінатах частка такої продукції досягає

навіть 75-80%.

Однак розробка нових хімічних продуктів вимагає великих матеріальних витрат. Наприклад, щоб створити лише кілька нових лікарських препаратів, які можна буде пустити в промислове виробництво, потрібно виготовити не менш 4000 речовин. Для засобів захисту рослин ця цифра може досягати і 10 000. В недавньому минулому в США на кожний запроваджений у виробництво хімічний продукт приходилося 450 теоретичних розробок. З них відбирали 98 варіантів для лабораторних іспитів, а потім 8 для досвідченого виробництва на хімічних установках. Незважаючи на ці колосальні витрати не більш 50% відібраних після промислових іспитів продуктів мали яке-небудь господарське значения. Але значення цих продуктів таке високе, що без повністю перекриває вартість непродуктивної розробки. Користь хімічних виробів для суспільства окупає усі витрати на наукові розробки і впровадження їх у промисловість. Тому немає нічого дивного в тому, що в індустріальних країнах засоби, затрачувані на дослідження в області хімії, у середньому майже вдвічі перевищують асигнування на інші галузі промисловості. Майже 20% світових патентів видаються на відкриття винаходи в області хімії, у чому особливо яскраво відбивається прогресивний характер цієї науки.

Без сумніву, що зараз хімія зі своїми продуктами, методами і концепціями стоїть на шляхах, що ведуть у майбутнє. Але її успішне просування вперед тісно зв'язано з іншими дисциплінами, особливо з фізикою, технікою і біологією, і цей взаємозв'язок приводить до виникнення ’’прикордонних’’ наук в області яких хімія відіграє роль авторитетної «повитухи». Усе більш чітко виявляються в розвитку хімічної промисловості тенденції взаємного проникнення і взаємного впливу окремих складових частин і дисциплін. Розвиток сучасного хімічного виробництва немислимо без розвитку й удосконалювання методів монтажу установок, електроніки, вимірювальної, керуючої і регулюючої техніки, наукового приладобудування, а також без поліпшення сировинної бази й енергетичного господарства. Для всіх цих галузей господарства хімія стає головним споживачем. Одночасно для своїх основних постачальників вона розробляє нові продукти і методи, а також різні допоміжні засоби, що прискорюють прогрес цих галузей.

У зв'язку з цим планування науково-технічного прогресу в хімії стає усе більш складним і комплексним.

Усе починається із сировини й енергії

Споживання сировини збільшується, запаси зменшуються

Найважливішою характеристикою кожного хімічного виробництва є перетворення сировини в більш коштовні хімічні речовини. Вихідним пунктом для кожного такого перетворення служать природні ресурси. При досягнутому на сьогоднішній день стані розвитку промисловості сировиною стає буквально усе, що оточує нас у природі. Починаючи з 1960 р. виробництво продуктів на душу населення, так само як і населення Землі, зростають щорічно приблизно на 6%. Кожні 11 років потреби в матеріалах на нашій планеті подвоюються. Але при збільшенні населення і прогресуючої индустриалызацыъ споживання буде зростати экспоненцыально. Як довго казначейство планети в стані витримати таке навантаження?

Дотепер людство дуже мале використовувало потенційно придатні до розробки області Землі - атмосферу, верхні шари земної кори, гідросферу і біосферу. Доступний сучасним засобам розробки верхній шар кори досягає 1 км і лише в рідких випадках 2 км. Проте цей «тонкий» шар містить не менш 20000 блн. т заліза, 40 блн. т міді, 48 блн. т цинку, 7,2 блн. т це лише деякі приклади. Власне земна кора має товщину 16 км, хоча і складає тільки 1/418 частина загального обсягу земної кулі. Майже 98,6% цього шару складають всього вісім елементів: кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, натрій, калій і магній, а на долю всіх інших елементів приходиться лише 1,4% маси. Кольорові і рідкісні метали містяться в кількості 0,01, 0,001 та навіть 0,0001%. Незважаючи на це, запаси усіх важливих элементів в земній корі мають величезне значення.

Але не слід зваблюватися цими цифрами. Середній вміст хімічних елементів у земній корі хоча абсолютно великий, але їх занадто мало для рентабельного видобутку через їхню розпорошеність. Тому, як і колись, використовуються родовища, в яких зосереджені великі запаси якого-небудь одного елемента.На жаль, таких родовищ занадто мало, вони дуже нерівномірно розподілені по земній кулі і швидко виснажуються. Майже жодна країна на планеті не має у своєму розпорядженні запаси всіх потрібних видів сировини і не може обійтися без їх імпорта.

І усе-таки варто констатувати, що сировина, що добувається сучасними технічними засобами, у всіх частинах світу більш чи менш загрозливо вичерпується. Звідси деякі коментатори роблять висновок, що усе більш швидко рухається експрес світової економіки який незабаром звалиться у безодню. Дійсно, ресурси матері-землі хоча і дуже великі, але обмежені, тому людське суспільство на нашій планеті не зможе довго розвиватися на основі дідівських методів видобутку сировини. Однак, з іншого боку, елементи, що знаходяться в природі, як би інтенсивно вони не експлуатувалися, не знищуються, а тільки переходять в інші з'єднання. Таким чином, резерви елементів на Землі залишаються постійними і зменшуються швидкими темпами не природні ресурси взагалі, а тільки та їхня частина, що вводиться в економічний оборот на сучасному рівні розвитку.

Коли в XVII і XVIII вв. французькі ліси, що служили в той час калієвою сировиною для виробництва скла, були спустошені, говорили про нездоланну кризу скляної промисловості, що насувається, і навіть пророкували швидкий захід її у Франції. Нічого подібного не відбулося, дефіцит був вчасно ліквідований Лебланком (содовий процес, 1789 р.). Якщо якийсь процес у майбутньому виявиться в подібній ситуації, то криза йому не грозить, може тільки підвищитися вартість рішення проблеми, тому що «валютою», що оплачуються подібні дефіцити, стає енергія.

ждународные плину, так що в майбутньому при рівному імпорті сировини ми будемо витрачати на це велику частину національного доходу, чим раніш. Тим більше збереження постійних споживчих цін у країні ми повинні оцінити як величезну заслугу соціалістичного суспільства.

Більш 80% світових сировинних ресурсів і палива споживаються в наш час тільки однією третьою частиною населення Землі. Незважаючи на це, потреби в сировину дуже швидко підвищуються не тільки в країнах що розвиваються, але й у промислово розвитих країнах. Щоб забезпечити ці всезростаючі потреби, варто постійно форсувати можливості відкриття нових резервів сировини. Для цього найбільш придатними є наступні шляхи:

- розробка не порушених дотепер ділянок земної кори, включаючи сировину, що міститься в морській воді;

- перехід до експлуатації більш бідних родовищ;

- утилізація відходів, залишків і використаних матеріалів;

- заміна дефіцитної сировини пальними матеріалами. Великі надії покладаються на ті області планети, що геологічно ще мало розвідані. Перспективним є морський шельф, що знаходиться на глибині близько 200 м. Ці підводні континенти, загальна площа яких у 1,5 рази більше Азії, у майбутньому стануть джерелами багатьох видів сировини. Щорічно з морської води на початку 70-х років добувалося сировини більш ніж на 6 млрд. руб., а до кінця тисячоріччя цей обсяг передбачається збільшити до 40-50 млрд. руб.

Коли мова заходить про проблеми сировини, те незабаром центр ваги переноситься на обговорення того, як обстоїть справа з металами. При цьому цілком доречно сказати: подбаємо про метали!

ХІМІЧНА СИРОВИНА

Для виробництва різних продуктів споживання, предметів, і матеріалів потрібна відповідна сировина, яку називають ще ви­хідним матеріалом.

Залежно від рівня розвитку техніки і економіки народного господарства вимоги до сировини можуть бути різні, але в основ­ному сировина повинна бути в природі у великій кількості, бути дешевою, доступною для видобування. Дедалі більше використо­вуються відходи різних виробництв. Те, що зовсім недавно було від­ходами або навіть покидьками, сьогодні вже використовується як сировина. Так, хлорид калію був відходом у виробництві хло­риду натрію, а зараз він є цінною речовиною. Виробляли кокс для металургійної промисловості, а коксові гази при цьому викидались у повітря як покидьки. Зараз ці гази - джерело найцінніших речовин. Свого часу хлорид водню був покидьками у виробництві соди за способом Леблана.

Сировину для хімічної промисловості можна поділити на такі трупи:

І. Мінеральна сировина, що видобувається з природних родовищ:

а) горючі копалини (вугілля, торф, сланці, нафта, горючі гази;

б) гірські породи, з яких можна добувати метали в чистому вигляді; в) нерудна сировина -неорганічні природні речовини, з яких не добуваються метали, хоч у багатьох з них містяться ме­тали (наприклад, хлорид натрію, хлорид калію, сульфати, карбона­ти, фосфати різних металів тощо).

2. Рослинна і тваринна сировина: деревина, зерно, картопля, цукрові буряки, солома, шкіра, жири і т. д.

Вода і повітря.

Є тверда, рідка і газоподібна сировина, а за хімічним складом її поділяють на неорганічну і органічну.

Сучасна хімічна промисловість використовує всі відомі види корисних копалин. Руди дають метали і різні гази як побічні продукти. Вугілля і нафта, крім енергії дають нам сировину для синтезу барвників, лікувальних препаратів, пластичних мас, розчинників, моторного палива, мастил тощо. Широко використо­вується в хімічній промисловості також рослинна і тваринна си­ровина. З неї виробляють харчові продукти, тканини, шкіряні товари, барвники, лікувальні препарати.

Неметалічні корисні копалини використовуються для вироб­ництва багатьох речовин і матеріалів. З гірських порід дістають будівельні матеріали, кислоти, солі, гази. Широко відомі такі неметалічні породи, як кухонна сіль, сірка, апатити і фосфорити,. сірчаний колчедан, вапняки, їх можна використовувати і для до­бування металів (наприклад, з карналіту добувають магній, з хлориду натрію - натрій).

Добуті із землі корисні копалини містять так звану пусту породу, тобто різні домішки до основного мінералу. Наприклад, алюмінієві руди боксити містять значну кількість кремнезему і оксиду заліза, які щодо окису алюмінію є пустою породою.

Видобуту з земної кори ту чи іншу корисну копалину спочатку підготовляють до обробки. Найчастіше підготовка полягає в збагаченні, тобто очистці від пустої породи і збільшенні таким чином вмісту основного компоненту. Крім того, сировину часто подрібнюють або брикетують і агломерують, тобто пресують або спікають, щоб дістати сировину у компактнішому стані. Найпоширенішим методом збагачення руд є флотація - відокремлення одного мінералу від іншого на основі їх властивості змочуватись або не змочуватись водою.

ХІМІЧНА ПРОДУКЦІЯ

Сучасна хімічна промисловість поділяється на окремі групи підприємств, що виробляють хімічні продукти з певної галузі, а саме: 1) гірничохімічна промисловість, яка виробляє апатито-фосфоритну й калійну сировину, хімічну мінеральну сировину; 2) основна хімічна промисловість - підприємства, що виробляють кислоти, луги, солі, гази, мінеральні добрива и т. п.; 3) анілінобарвникова промисловість; 4) виробництво синтетичних та інших платмас і пластичних мас; 5) виробництво штучного волокна; 6) виробництво синтетичного каучуку; 7) виробництво різних інших

синтетичних продуктів-спиртів, альдегідів, кислот, вуглеводів і т. п.; 8) виробництво хіміко-фармацевтичних препаратів; 9) ви­робництво фотохімічних препаратів і матеріалів; 10) лісохімічна промисловість, що об'єднує виробництва рослинних екстрактів, сухої перегонки деревини, гідролізу деревини, ефірних масел, ду­бильних екстрактів, рослинних смол та ін.; 11) лако-фарбні ви­робництва; 12) гумово-азбестові виробництва.

Усі галузі хімічної промисловості тісно пов'язані між собою та з Іншими близькими за характером галузями виробництва, особ­ливо такими, як металургія, виробництво будівельних матеріалів, скла і фарфоро-фаянсових виробів, шкіри, паперу.

Застосування хімічної продукції в сільському господарств!

є запорукою високих урожаїв. Використання хімічної продукції в різних галузях народного господарства сприяє технічному про­гресу підвищує культуру виробництва.

ВОДА У ХІМІЧНОМУ ВИРОБНИЦТВІ

Вода в хімічному виробництві відіграє надзвичайно важливу роль. Вона застосовується як технологічний компонент у різних виробничих процесах: для розчинення, розведення, варіння і т. д. Величезна роль води і як хімічної сировини: вона або входить до складу готової продукції, або виділяється під час утворення основного продукту, а потім випарюється, відстоюється, відфільтро­вується тощо. Більшість хімічних процесів відбувається у водних розчинах. Інколи вода відіграє роль каталізатора. Наприклад, з абсолютно сухим хлором не реагують навіть лужні метали. Окислювальні процеси без води часто відбуваються зовсім в іншому напрямі, ніж за участю хоч незначної її кількості.

Вода широко використовується в хімічній промисловості як робочий агент у парових машинах, як теплоносій, для передавання .тиску, енергії тощо.

Важко перелічити всі способи використання води в хімічній промисловості. Досить сказати, що на виробництво 1 т аміаку витрачає­ться від 150 до 450 т свіжої і 600 -1850 т оборотної води; на 1 т хімічного волокна - 300-900 т свіжої і 650-4500 т оборотної води, тощо.