Энергетика химической промышленности занимает одно из основных мест в современной индустрии. Без ее участия было бы невозможно провести технологические процессы. Энергетика в большой мере служит для обеспечения жизнедеятельности человека.

Существуют различные типы энергии:

• электрическая;


• тепловая;


• ядерная и термоядерная;


• световая;


• магнитная;


• химическая;


• механическая.

Абсолютно все химические производства потребляют энергию. Процессы отрасли связаны либо с использованием, либо с взаимным обращением энергии. Электрическая энергия используется для электрохимических, электротермических и электромагнитных процессов. Это электролиз, плавление, нагревание, синтез. Для процессов измельчения, смешивания, работы компрессоров и вентиляторов используется превращение электрической энергии в механическую.

Для протекания физических процессов, которые не сопровождаются нагреванием, плавлением, дистилляцией, сушкой, то есть химическими реакциями, используется тепловая энергия. Химическая энергия используется в гальванических приборах, где превращается в электрическую. Световая энергия применяется для осуществления фотохимических реакций.

Топливная база энергетики для химпромышленности

В энергетике химической промышленности горючие ископаемые и их производные представляют собой основной источник потребляемой энергии. Энергоемкость производства определяется расходом энергию на единицу изготавливаемой продукции.
Энергетика включает в себя добычу энергоресурсов (нефти, газа, угля, сланца) и их переработку, а также специальные виды транспорта. К ним относятся нефтепроводы, газопроводы, линии электропередачи и продуктопроводы.

Топливная область энергетики является и сырьевой базой для нефтехимической и химической промышленности. Вся ее продукция подвергается термической обработке для выделения отдельных компонентов (например, кокс из угля, этан, этилен, бутан, пропан из нефти и газов). Только природный газ используется в чистом виде для производства химических продуктов, таких как аммиак, метиловый спирт.

Энергетика развивается динамично и быстро, провоцируя развитие научно-технического прогресса. На использование энергетических ресурсов спрос растет все больше, в связи с этим поиск месторождений и создание новых производств – приоритетные составляющие индустрии. Однако эта область приводит к многочисленным проблемам в экономике, политике, географии, экологии, которые имеют глобальный характер.

Наиболее развивающиеся сегменты энергетики – нефтяная и нефтеперерабатывающая, а также газовая отрасли. Добыча природных ископаемых занимает весомое место в мире, а их месторождения иногда порождают конфликты между государствами. Нефть является важным энергоносителем, после ее переработки получают массу нужных для деятельности человека продуктов. В их списке керосин, бензин, различные виды топлива и нефтяных масел, мазут, гудрон и прочие. Потребность в нефтеперерабатывающей отрасли возникла с развитием транспорта и авиации для его обеспечения топливом. Газовая промышленность является самой прогрессирующей и перспективной областью. Природный газ – основное сырье для химических производств и его использование очень различно.

Выставка «Химия» осенью в большом объеме и масштабе представит новейшие технологии и разработки в области энергетики химической промышленности . На данной выставке производители и потребители могут не только ознакомиться с товаром и ассортиментом, а также заключить новые сделки, наладить связи как с отечественными, так и с зарубежными партнерами. Как отмечают специалисты, «Химия» оказывает огромное влияние на развитие и продвижение новых технологий. Кроме того, на ней освещаются не только новые методы и достижения в науке и технике, а и средства индивидуальной и коллективной защиты на производстве.

Выставка, организуемая ЦВК «Экспоцентр», проходит в Москве с 1965 года. А специалисты «Экспоцентра» позволяют провести подобные мероприятия на самом высоком уровне. Поэтому его и выбирают неоднократно в качестве проведения подобных мероприятий как отечественные, так и зарубежные организаторы.

Обеспеченность энергией является важнейшим условием социально-экономического развития любой страны, ее промышленности, транспорта, сельского хозяйства, сфер культуры и быта.

Особенно много энергии потребляет химическая промышленность. Энергия тратится на осуществление эндотермических процессов, на транспортировку материалов, крошение и измельчение твердых веществ, фильтрование, сжатие газов и т.п.. Значительных затрат энергии нуждаются в производстве карбида кальция, фосфора, аммиака, полиэтилена, изопрена, стирола и т.п.. Химические производства вместе с нефтехимическими являются энергоёмкими областями индустрии. Выпуская почти 7 % промышленной продукции, они потребляют в пределах 13-20% энергии, которая используется всей промышленностью.

Источниками энергии чаще всего являются традиционные невосстановимые природные ресурсы - уголь, нефть, природный газ, торф, сланцы. В последнее время они очень быстро истощаются. Особенно ускоренными темпами уменьшаются запасы нефти и природного газа, а они ограничены и непоправимые. Неудивительно, что это порождает энергетическую проблему.

В разных странах энергетическую проблему решают по-разному, тем не менее, всюду в её решение значительный вклад делает химия. Так, химики считают, что и в будущем (приблизительно еще лет 25-30) нефть сохранит свою позицию лидера. Но ее взнос в энергоресурсы заметно сократится и будет компенсироваться выросшим использованием угля, газа, водородной энергетики ядерного горючего, энергии Солнца, энергии земных глубин и других видов восстановительной энергии, включая биоэнергетику.

Уже сегодня химики беспокоятся о максимальном и комплексном энерготехнологическом использовании топливных ресурсов - уменьшением потерь теплоты в окружающую среду, вторичным использованием теплоты, максимальным применением местных топливных ресурсов и т.п..

Разработаны химические методы изъятия вяжущей нефти (содержит высокомолекулярные углеводороды), значительная часть которой остается в подземных амбарах. Для увеличения выхода нефти в воду, которую закачивают в пласты, прибавляют поверхностно-активные вещества, их молекулы размещаются на границе нефть-вода, которая увеличивает подвижность нефти.

Будущее пополнение топливных ресурсов объединяют с рациональной переработкой угля. Например, измельченный уголь смешивается с нефтью, на добытую пасту действуют водородом под давлением. При этом образовывается смесь углеводородов. На добывание 1 т искусственного бензина тратится около 1 т угля и 1500 м водорода. Пока что искусственный бензин дороже добытого из нефти, тем не менее, важна принципиальная возможность его добывания.

Очень перспективной видится водородная энергетика, которая основывается на сжигании водорода, во время которого вредные выбросы не возникают. Тем не менее, для ее развития нужно решить ряд задач, связанных со снижением себестоимости водорода, созданием надежных средств его хранения и транспортировки и т.п.. Если эти задачи будут разрешимы, водород будет широко использоваться в авиации, водном и наземном транспорте, промышленном и сельскохозяйственном производствах.

Неисчерпаемые возможности содержит ядерная энергетика, ее развитие для производства электроэнергии и теплоты дает возможность высвободить значительное количество органического топлива. Здесь перед химиками стоит задача создать комплексные технологические системы покрытия энергетических затрат, которые происходят во время осуществления эндотермических реакций, с помощью ядерной энергии.

Большие надежды возлагаются на использование солнечной радиации (гелиоэнергетика). В Крыму действуют солнечные батареи, фотогальванические элементы которых превращают солнечный свет в электричество. Для опреснения воды и отопления жилья широко используются солнечные термоустановки, которые превращают солнечную энергию в теплоту. Солнечные батареи уже давно применяются в навигационных сооружениях и на космических кораблях. В

отличие от ядерной, стоимость энергии, которую добывают с помощью солнечных батарей, постоянно снижается.

Для изготовления солнечных батарей главным полупроводниковым материалом является силиций и соединения силиция. Ныне химики работают над разработкой новых материалов-преобразователей энергии. Это могут быть разные системы солей как накопители энергии. Дальнейшие успехи гелиоэнергетики зависят от тех материалов, которые предложат химики для преобразования энергии.

В новом тысячелетии прирост производства электроэнергии будет происходить за счет развития солнечной энергетики, а также метанового брожения бытовых отходов и других нетрадиционных источников добывания энергии.

Доклад на тему:

«Значение химии

в решении энергетической проблемы . »

Ученицы 11 «А» класса

средней школы №1077

Сергеевой Таисии.

Химическая энергия известна каждому современному человеку и широко используется во всех сферах деятельности.

Она известна Человечеству с самых давних времен и всегда применялась как в быту, так и на производстве. Наиболее распространенными устройствами, использующими химическую энергию являются: камин, печь, горн, домна, факел, газовая горелка, пуля, снаряд, ракета, самолет, автомобиль. Химическая энергия применяется в производстве медикаментов, пластика, синтетических материалов, и т.п.

Источники

Наиболее применяемыми источниками химической энергии являются: нефтяные месторождения (нефть и ее производные), газоконденсатные месторождения (природный газ), угольные бассейны (каменный уголь), болота (торф), леса (древесина), а также поля (зеленые растения), луга (солома), моря (водоросли), и т.п.

Химические источники энергии являются «традиционными», однако их использование оказывает влияние на климат планеты. При нормальном функционировании экосистемы, солнечная преобразуется в форму химической, и хранится в ней на протяжении продолжительного времени. Использование этих природных запасов, да и вообще нарушение энергетического баланса планеты приводит к непредсказуемым последствиям.

Человек не использует химическую энергию непосредственно (разве что к такому использованию можно отнести некоторые химические реакции).

Обычно химическая энергия, выделившаяся в результате разрыва высокоэнергетических и образования низкоэнергетических химических связей, выделяется в окружающую среду в виде тепловой энергии . Химическую энергию можно назвать наиболее распространенной и широко используемой с древности и до наших дней. Любой процесс, связанный с горением, имеет в своей основе энергию химического взаимодействия органического (реже минерального) вещества и кислорода.

Современное промышленное высокотехнологичное «горение» осуществляется в двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах , в плазменных генераторах и топливных элементах . Однако такие устройства, как турбины и двигатели внутреннего сгорания между сырьем (химической энергией) и конечным продуктом (электрической энергией) имеют нехорошего посредника – тепловую энергию. К великому сожалению ученых и инженеров, к.п.д. тепловых машин довольно мал – не более 40%. Ограничения на дальнейший рост кпд наложены не материалами, а самой природой. 40% — это предельный кпд тепловой машины и дальше его увеличить невозможно.

Топливный элемент производит непосредственное преобразование энергии химических связей в электрическую энергию. В некотором роде то же самое делает и плазменный генератор. Однако, и в том и в другом случае, часть энергии все равно теряется в виде выделяющегося тепла и рассеивается. Возможности решения проблемы рассеяния тепла пока не существует, что снижает кпд любой самой хорошей преобразующей установки.

Химические взаимодействия лежат в основе механической энергии движения тел людей и животных. Человек питается растениями и животными, получая из них энергию химических связей, которая сформировалась благодаря фотосинтезу. Таким образом, первоисточником для химической энергии является лучистая солнечная энергия, или, фактически, энергия ядерного синтеза от процессов, происходящих на Солнце. Как и всё живое на Земле, в конечном счете, человек питается энергией Солнца.

Приведем некоторые примеры цепочек преобразования химической энергии

При сгорании порох превращается в горячие газы, которые в свою очередь сообщают пуле кинетическую энергию. Пуля в этом случае набирает упорядоченную кинетическую энергию за счет теплоты горячих газов (их «неорганизованной» кинетической энергии). Откуда же берут тепловую энергию сами молекулы? До этого взрыва порох был холодным твердым телом, содержащим запас «химической энергии». Он содержал в себе энергию первичного топлива - угля, дров, нефти. А это — молекулярная энергия, запасенная, если угодно, в силовых полях атомов. Представьте, что химическое соединение состоит из атомов, которые вопреки отталкивающим пружинящим межатомным силам посажены на свои места в молекуле и «защелка закрыта». Потенциальная энергия при этом запасается в «сжатых пружинах». Разумеется, химическая энергия - гораздо более сложная вещь, чем такая модель, но общая картина ясна: атомы и молекулы запасают энергию, которая высвобождается при одних химических изменениях и запасается при других. Большая часть горючих веществ высвобождает свою энергию при горении в кислороде, так что энергия их связана с силовыми полями молекул топлива и кислорода. Трудно указать, где она расположена, но количество ее достаточно определенно, поскольку при переходе энергии в другие формы мы можем измерять работу, т. е. получить произведение сила на расстояние, например, столько-то джоулей на каждый килограмм полностью сгоревшего топлива. Химическую энергию пороха или заряда фейерверочной ракеты локализовать легче. Вся она сидит там, внутри молекул горючего.

Пища — источник химической энергии

Пища - источник химической энергии. Пища - это топливо для людей и животных, она снабжает их химической энергией, которая переносится потоком крови к нуждающимся в ней мышцам. Мышцы могут преобразовывать часть получаемой энергии в механическую, поднимая грузы и делая другую полезную работу. Пища содержит в основном атомы углерода, кислорода и водорода. Рассмотрим, к примеру, молекулу простейшего сахара, глюкозы C6H12O6, поддерживающей работу мышц.

В процессе работы мышц и их отдыха, молекулы этого топлива расщепляются пополам, затем отщепляется шесть молекул H2O, а атомы углерода, соединяясь с атомами кислорода, поступающего из легких, дают шесть молекул CO2. Это вкратце сильно упрощенная картина химии жизни. Основные компоненты пищи - крахмал, сахара, жиры и белки - представляют большие молекулы, которые построены из меньших молекулярных структур, состоящих из атомов.

Эти небольшие комплексы синтезируются растениями, связываются ими каким-то способом, образуя растительные вещества, такие, как углеводы и целлюлоза. Животные, поедая растительную или животную пищу, расщепляют эти вещества и перераспределяют их составляющие так, чтобы образовывались нужные большие молекулы. Однако сами животные не синтезируют их частей. Энергию, необходимую для движения и другой деятельности, они получают при дальнейшем расщеплении некоторых молекулярных комплексов на углекислый газ и воду. Эта энергия первоначально была «усвоена» растениями из солнечного света и запасена при синтезе таких комплексов в виде энергии химических связей. Связывание и расщепление этих малых комплексов в пищеварительной системе животного - обычно дело нехитрое и не требует больших затрат энергии, оно быстро совершается микробами или ферментами. Большие молекулы в нашей пище содержатся в углеводах к целлюлозе, которые составлены из множества групп простых молекул сахара наподобие глюкозы, жиров с длинными цепями CH2 и белков - еще больших по величине и очень сложных молекул, необходимых для строительства и обновления тканей. Процесс, посредством которого химическая энергия превращается в теплоту тела или работу мышц, - в сущности, то же горение. При сгорании топлива в пламени происходит соединение его с кислородом с образованием воды и углекислого газа. Простейшее топливо нашего тела, такое, как глюкоза, соединяясь с кислородом, поступающим из легких, также образует воду и углекислый газ, но процесс идет гораздо медленнее и более хитрым путем, нежели простое горение в пламени; температура невелика, а выделение энергии — то же самое. Растения поглощают воду и CO2 из воздуха, соединяют их и создают сахар крахмал и целлюлозу - главные источники энергии животных.

Добывание животными химической энергии для мышц происходит примерно так: из пищи извлекаются простейшие молекулы сахара (точно так же, как и на химическом заводе извлекается спирт из древесной массы), которые запасаются в скоплениях, представляющих собой молекулы нерастворимого «животного» крахмала. Этот запас молекул крахмала расщепляется по мере надобности, поддерживает снабжение мышц сахаром. Когда мышцы сокращаются и производят работу, сахар в две стадии превращается в воду и углекислый газ. Из своей растительной пищи животные еще запасают жиры и «сжигают» их для согревания тела.

Затем все то, что растрачивается человеком и животными, вновь воссоздается растениями, и опять все готово к употреблению. Как же растения делают это? Мы не можем «обратить» действие пламени и «возродить» сгоревшие вещества. Как же растения ухитряются проделывать такой «синтез жизни», сжимая пружинки межмолекулярных сил и закрывая защелки? Поскольку «открывание защелки» приводит к выделению химической энергии, растения должны вкладывать ее при создании агрегата. Им необходимо как снабжение энергией, так и устройство, которое использовало бы ее для синтеза молекул H2O и CO2 в молекулы сахара и крахмала. Солнечный свет снабжает их энергией - порциями световых волн, так сказать, в «расфасованном по пакетикам» виде, а все операции производятся такими «умными» молекулами растения, как зеленый хлорофилл. На солнечном свету зеленый лист растения поглощает CO2 и создает крахмал. Таким образом, растительная и животная жизнь образует цикл, который начинается с воды, углекислого газа и солнечного света и заканчивается водой, углекислотой, теплом и механической энергией животных. Все наши машины, работающие на угле, нефти, ветре, падающей воде, все животные, потребляющие пищу, в конечном итоге получают свое топливо от Солнца.

Просто о сложном – Химическая энергия

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Энергия химической реакции – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Энергия химической реакции.
• Ссылки на материалы и источники – Химическая энергия.

Министерство образования Республики Беларусь

Министерство образования Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Технологии металлов»

Энергетика химических процессов.

ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО

Методические указания для самостоятельной работы студентов и проведения практических занятий по химии

Могилев 2003

УДК 54 Составили: д-р. техн. наук, проф. Ловшенко Ф.Г.,

канд. техн. наук, доц. Ловшенко Г.Ф.

Энергетика химических процессов. Химическое сродство. Методические указания для самостоятельной работы студентов и проведения практических занятий по химии.- Могилев: Белорусско-Российский университет, 2003.- 28 с.

В методических указаниях приведены основные положения термодинамики. Представлены примеры решения типовых задач. Приведены условия заданий для самостоятельной работы.

Одобрено кафедрой «Технологии металлов» Белорусско-Российского университета (протокол заседания № 1 от « 1 » сентября 2003 г.).

Рецензент ст. преп. Пацей В.Ф.

Ответственный за выпуск Ловшенко Г.Ф.

© Составление Ф.Г.Ловшенко, Г.Ф.Ловшенко

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная

Усл. печ. л. Уч. из. Л. Тираж 215экз. Заказ № _______

Издатель и полиграфическое исполнение:

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет»

Лицензия ЛВ №

212005, Г. Могилев, пр. Мира, 43

Республики

Энергетика химических процессов

Химическая термодинамика изучает переходы химической энергии в другие формы - тепловую, электрическую и т. п., уста­навливает количественные законы этих переходов, а также направление и пределы самопроизвольного протекания химиче­ских реакций при заданных условиях.

Объектом изучения в термодинамике является система.

Системой называется совокупность находящихся во взаимо­ действии веществ, мысленно (или фактически) обособленная от окружающей среды.

Фаза – это часть системы, однородная во всех точках по составу и свойствам и отделенная от других частей системы поверхностью раздела .

Различают гомогенные и гетерогенные сис­темы. Гомогенные системы состоят из одной фазы, гетерогенные - из двух или нескольких фаз.

Одна и та же система может находиться в различных состоя­ниях. Каждое состояние системы характеризуется определенным набором значений термодинамических параметров. К термодина­мическим параметрам относятся температура, давление, плот­ ность, концентрация и т. п . Изменение хотя бы только одного термодинамического параметра приводит к изменению состояния системы в целом. Термодинамическое состояние системы назы­ вают равновесным , если оно характеризуется постоянством тер­ модинамических параметров во всех точках системы и не изменя ется самопроизвольно (без затраты работы). В химической термодинамике свойства системы рассматриваются в ее равновесных состояниях.

В зависимости от условий перехода системы из одного состояния в другое в термодинамике различают изотермические, изобарические, изохорические и адиабатические процессы. Пер­вые – протекают при постоянной температуре (Т = const), вто­рые – при постоянном давлении (p = const), третьи – при по­стоянном объеме (V = const), четвертые – в условиях отсутствия обмена теплотой между системой и окружающей средой (q = 0).

Химические реакции часто протекают в изобарно-изотермических условиях (p = const, Т = const). Такие условия соблюда­ются, когда взаимодействия между веществами осуществляются в открытых сосудах без нагревания или при более высокой, но постоянной температуре.

Внутренняя энергия системы.

При переходе системы из одного состояния в другое изменяются некоторые ее свойства, в част­ности внутренняя энергия U .

Внутренняя энергия системы представляет со­ бой ее полную энергию, которая складывается из кинетической и потенциальной энергий молекул, атомов, атомных ядер, элект­ ронов и др . Внутренняя энергия включает в себя энергию поступатель­ного, вращательного и колебательного движений, а также потен­циальную энергию, обусловленную силами притяжения и оттал­кивания, действующими между молекулами, атомами и внутри­атомными частицами. Она не включает потенциальную энергию положения системы в пространстве и кинетическую энергию дви­жения системы как целого.

Абсолютная внутренняя энергия системы не может быть опре­делена, однако можно измерить ее изменение  U при переходе из одного состояния в другое. Величина  U считается положи­тельной ( U >0), если в каком-либо процессе внутренняя энергия системы возрастает.

Внутренняя энергия является термодинамической функ­ цией состояния системы . Это значит, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия принимает определенное, присущее этому состоянию зна­чение. Следовательно, изменение внутренней энергии не зависит от пути и способа перехода системы из одного состояния в другое и определяется разностью значений внутренней энергии системы в этих двух состояниях:

U = U 2 – U 1 , (1)

где U 1 и U 2 – внутренняя энергия системы в конечном и началь­ном состояниях соответственно.

В любом процессе соблюдается закон сохранения энергии , выражаемый равенством

q =  U + A, (2)

которое означает, что теплота q , подведенная к системе, расхо­дуется на увеличение ее внутренней энергии  U и на совершение системой работы А над внешней средой. Уравнение (2) – математическое выражение первого закона термодинамики .

Из первого закона термодинамики следует, что приращение внутренней энергии системы  U в любом процессе равно коли­честву сообщенной системе теплоты q за вычетом количества совершенной системой работы А; поскольку величины q и А под­даются непосредственному измерению, с помощью уравнения (2) всегда можно рассчитать значение  U .

В первом законе термодинамики под работой А подразуме­вают сумму всех видов работы против сил, действующих на систему со стороны внешней среды . В эту сумму могут входить и работа против сил внешнего электрического поля, и работа против сил гравитационного поля, и работа расширения против сил внешнего давления, и другие виды работ.

В связи с тем, что для химических взаимодействий наиболее характерна работа расширения, ее обычно выделяют из общей суммы:

А = А’ + р  V , (р = const ), (3)

где А’ – все виды работы, кроме работы расширения;

р - внеш­нее давление;

V – изменение объема системы, равное разности V 2 – V 1 (V 2 – объем продуктов реакции, a V 1 – объем исходных веществ).

Если при протекании того или иного процесса работа расши­рения является единственным видом работы, уравнение (3) принимает вид

А = р  V , (4)

Тогда математическое выражение первого закона термодина­мики (2) запишется так:

q p =  U + р  V , (5)

где q p – теплота, подведенная к системе при постоянном дав­лении.

С учетом того, что  U = U 2 – U 1 и  V = V 2 – V 1 , уравнение (5), можно преобразовать, сгруппировав величины U и V по индексам, относящимся к конечному и начальному состояниям системы:

q p = (U 2 -U t ) + p(V 2 -V t ) = (U 2 +pV 2 ) - (U 1 +pV 1 ). (6)

Сумму (U + pV ) называют энтальпией (теплосодержанием) системы и обозначают буквой H :

H=U + pV. (7)

Подставив энтальпию Н в уравнение (6), получим

q p = Н 2 – Н 1 =  Н, (8)

т. е. теплота, подведенная к системе при постоянном давлении, расходуется на приращение энтальпии системы.

Так же как и для внутренней энергии, абсолютное значение энтальпии системы определить экспериментально невозможно, но можно, измерив величину q p , найти изменение энтальпии  Н при переходе системы из одного состояния в другое. Величину  Н считают положительной ( Н >0), если энтальпия системы возрас­тает. Поскольку значение  Н определяется разностью (Н 2 – Н 1 ) и не зависит от пути и способа проведения процесса, энтальпию, как и внутреннюю энергию, относят к термодинамическим функ­циям состояния системы .

Тепловые эффекты химических реакций.

Алгебраическую сум­ му поглощенной при реакции теплоты и совершенной работы за вычетом работы против сил внешнего давления (р  V ) назы­ вают тепловым эффектом химической реакции .

Термохимические законы. Независимость теплоты химической реакции от пути процесса при p = const и Т = const была уста­новлена в первой половине XIX в. русским ученым Г.И.Гессом: тепловой эффект химической реакции не зависит от пути ее про­ текания, а зависит лишь от природы и физического состояния исходных веществ и продуктов реакции (закон Гесса ).

Раздел химической термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций, называется термохимией . В тер­мохимии используется упрощенное представление о тепловом эффекте химической реакции, отвечающее условиям его незави­симости от пути процесса. Это теплота q T , подведенная к системе в процессе реакции (или выделившаяся в результате реакции) при постоянной температуре.

Если теплота подводится к системе (q T > 0), реакцию на­зывают эндотермической, если же теплота выделяется в окружающую среду (q T < 0), реакцию называют экзотер­мической.

Термохимия, прежде всего, изучает изобарно-изотермические реакции, в результате которых совершается только работа рас­ширения  V . Тепловой эффект таких реакций q p , T равен изменению энтальпии системы  H .

Уравнения химических реакций, в которых указаны их тепло вые эффекты, называются термохимическими уравнениями . Поскольку от агрегатных состояний веществ зависит состояние системы в целом, в термохимических уравнениях с помощью буквенных индексов (к), (ж), (р) или (г) обозначаются состоя­ния веществ (кристаллическое, жидкое, растворенное и газооб­разное). Также указывается аллотропная модификация вещества, если существуют несколько таких модификаций. Если агре­гатное состояние вещества или его модификация при заданных условиях очевидны, буквенные индексы могут опускаться. Так, например, при атмосферном давлении и комнатной температуре водород и кислород газообразны (это очевидно), а образующий­ся при их взаимодействии продукт реакции Н 2 О может быть жидким и газообразным (водяной пар). Поэтому в термохими­ческом уравнении реакции должно быть указано агрегатное состояние Н 2 О:

Н 2 + ½О 2 = Н 2 О (ж) или Н 2 + ½О 2 = Н 2 О (г) .

В настоящее время принято указывать тепловой эффект реакции в виде изменения энтальпии  H , равного теплоте изобарно-изотермического процесса q p , T . Часто изменение энтальпии записывается как  H или  H. Верхний индекс 0 означает стандартную величину теплового эф­фекта реакции, а нижний – температуру, при которой идет взаимодействие. Ниже приведены примеры термохимических уравнений нескольких реакций:

2С 6 Н 6(ж) + 15О 2 = 12СО 2 + 6Н 2 О (ж) ,  H = -6535,4 кДж, (а)

2С (графит) + Н 2 = С 2 Н 2 ,  H = 226,7 кДж, (б)

N 2 + 3H 2 = 2NH 3(г) ,  H = -92,4 кДж. (в)

В реакциях (а) и (в) энтальпия системы уменьшается ( H <0). Эти реакции экзотермические. В реакции (б) энтальпия увеличивается ( H >0); реакция эндотермическая. Во всех трех примерах величина  H относится к тому числу молей веществ, которое определено уравнением реакции. Чтобы тепловой эффект реакции был выражен в кило Джоулях на моль (кДж/моль) одного из исходных веществ или продуктов реакции, в термохимических уравнениях допуска­ются дробные коэффициенты:

С 6 Н 6(ж) + 7О 2 = 6СО 2 + 3Н 2 О (ж) ,  H = -3267,7 кДж,

N 2 + =NH 3 (г),  H = -46,2 кДж.

Энтальпия образования химических соединений.

Энтальпией (теплотой) образования химического соединения  Н Т называется изменение энтальпии в процессе получения одного моля этого соедине­ ния из простых веществ, устойчивых при данной температуре .

Стандартной энтальпией (теплотой) обра­ зования химического соединения  Н, обр называют изменение энтальпии в процессе образования одного моля этого соединения, находящегося в стандартном состоянии (Т = 298 К и  = 101,3 кПа), из простых веществ, также находящихся в стандартных состояниях и термодинами­чески устойчивых при данной температуре фазах и модифика­циях (таблица А.1).

Стандартные энтальпии образования простых веществ прини­ маются равными нулю , если их агрегатные состояния и модифи­ кации устойчивы при стандартных условиях . Так, например, нулю равны стандартная теплота образования жидкого брома (а не газообразного) и графита (а не алмаза).

Стандартная энтальпия образования соединения – мера его термодинамической устойчивости, прочности, количественное выраже­ ние энергетических свойств соеди­ нения.

Термохимические расчеты. В основе большинства термохими­ческих расчетов лежит следствие из закона Гесса : тепловой эф­ фект химической реакции равен сумме теплот (энтальпий) обра­ зования продуктов реакции за вычетом суммы теплот (энталь­ пий) образования исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

Н х.р. =   Н обр. (прод. р-ции) -   Н обр (исх. в-в.) (9)

Уравнение (9) позволяет определять как тепловой эффект реакции по известным энтальпиям образования веществ, участву­ющих в реакции, так и одну из энтальпий образования, если известны тепловой эффект реакции и все остальные энтальпии образования.

Тепловой эффект химической реакции является энергетиче­ским эффектом процесса, протекающего при постоянной темпера­туре. Пользуясь справочными данными, которые относятся к 298 К, можно рассчитать тепловые эффекты реакций, протекаю­щих при этой температуре. Однако при выполнении термохимических расчетов, допуская обычно незначительную ошиб­ку, можно пользоваться стандартными значениями теплот обра­зования даже тогда, когда условия протекания процесса отлича­ются от стандартных.

Тепловые эффекты фазовых превращений. Фазовые превра­щения часто сопутствуют химическим реакциям. Однако тепло­вые эффекты фазовых превращений, как правило, меньше тепло­вых эффектов химических реакций. Ниже приведены примеры термохимических уравнений некоторых фазовых превращений:

Н 2 О (ж)  Н 2 О (г) ,  H = 44,0 кДж/моль,

Н 2 О (к)  Н 2 О (ж) ,  H = 6,0 кДж/моль,

I 2(к)  I 2(г) ,  H = 62,24 кДж/моль.

Исходя из выше приведенных данных можно отметить, что фазовый переход из более в менее конденсированное состояние ведет к повышению энтальпии системы (тепло поглощается – процесс эндотермический).

Т
Ж
Г

Переход вещества из аморфного состояния в кристаллическое всегда сопровождается выделением теплоты ( H <0) – процесс экзотермический:

Sb (аморф)  Sb (к) ,  H = -10,62 кДж/моль,

В 2 О 3(аморф.)  В 2 О 3(к) ,  H = -25,08 кДж/моль.

Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Многие процессы осуществляются самопроизвольно, т. е. без затраты работы извне. В результате их может быть получена работа против внешних сил, пропорциональная происшедшему изменению энергии системы. Так, самопроизвольно вода стекает по на­клонному желобу или теплота передается от более нагретого тела к менее нагретому. В ходе самопро­извольного процесса система теряет способность производить полезную работу.

Самопроизвольный процесс не может протекать в обратном направлении так же самопроизвольно, как в прямом . Так, вода не может сама по себе перетекать вверх по наклонному желобу, а теплота не может сама по себе переходить от холодного тела к горячему. Чтобы перекачать воду наверх или передать теплоту от холодной части системы к горячей, необходимо совершить работу над системой. К процессам, обратным по отношению к самопроизвольным, применяется термин «несамопроизвольные ».

При изучении химических взаимодействий очень важно оце­нить возможность или невозможность их самопроизвольного протекания при заданных условиях, выяснить химическое срод­ ство веществ . Должен быть критерий, с помощью которого можно было бы установить принципиальную осуществимость, направление и пределы самопроизвольного течения реакции при тех или иных температурах и давлениях. Первый закон термоди­намики такого критерия не дает. Тепловой эффект реакции не определяет направления процесса: самопроизвольно могут проте­кать как экзотермические, так и эндотермические реакции.

Критерий самопроизвольного протекания процесса в изолиро­ ванных системах дает второй закон термодинамики . Прежде чем перейти к рассмотрению этого закона, введем представление о термодинамической функции состояния системы, называемой энтропией .

Энтропия. Для характеристики состояния некоторого количе­ства вещества, являющегося совокупностью очень большого чи­сла молекул, можно или указать температуру, давление и другие термодинамические параметры состояния системы, или указать мгновенные координаты каждой молекулы (x i , y i , z i ) и скорости перемещения по всем трем направлениям (v xi , v yi , v zi ). В первом случае охарактеризовывается макросостояние системы, во вто­ром – микросостояние. Каждому макросостоянию отвечает огромное число микросостояний. Число микросостояний, с помощью которых осуществляется данное макросостояние, называют тер­ модинамической вероятностью состояния системы и обознача­ют W .

Термодинамическая вероятность состояния системы, состоя­щей всего из 10 молекул газа, примерно 1000, а ведь только в 1 см 3 газа содержится 2,710 19 молекул (н. у.). Чтобы перейти к более удобным для восприятия и расчетов числам, в термодина­мике используют не величину W , а ее логарифм lnW . Последнему можно придать размерность (Дж/К), умножив на константу Больцмана k :

klnW = S . (10)

Величину S называют энтропией системы.

Энтропия – термодинамическая функция состояния си­стемы и ее величина зависит от количества рассматриваемого вещества. Поэтому целесообразно относить величину энтропии к одному молю вещества (Дж/(мольК)) и выражать как

RlnW = S . (11)

где R = kN A – молярная газовая постоянная;

N A – постоянная Авогадро.

Из уравнения (11) следует, что энтропия системы увели­чивается пропорционально логарифму термодинамической веро­ятности состояния W . Это соотношение лежит в основе современ­ной статистической термодинамики.

При р = const энтропия является функцией температуры Т, причем температура замерзания и тем­пература кипения – это те точки, в которых энтропия из­меняется особенно резко, скачкообразно.

Итак, энтропия S является мерой неупорядоченности системы . «Носителями» энтропии являются газы. Если при реакции увеличивается число молей газообразных веществ, то увеличивается и энтропия . Т.е. не производя расчетов можно при необходимости определить знак изменения энтропии системы:

C (к) + О 2(г) = СО 2(г) , S  0;

2C (к) + О 2(г) = 2СО (г) , S > 0;

N 2(г) + 3H 2(г) = 2NH 3(г) , S < 0.

В таблице А.1 приведены значения S некоторых веществ (обратите внимание на то, что известны абсолютные значения энтропии веществ, в то время как абсолютные значения функции U и H не известны).

Т.к. энтропия есть функция состояния системы, то изменение энтропии ( S ) при химической реакции равно сумме энтропий продуктов реакции за вычетом суммы энтропий исходных веществ с учетом их стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции.

S х.р. =  S обр. (прод. р-ции) -  S обр (исх. в-в.) (12)

Направление и предел протекания процессов в изолированных системах. Второй закон термодинамики. Изолированные системы не обмениваются с внешней средой ни теплотой, ни работой. На основании уравнения (9) можно утверждать, что при q = 0 и A = 0 величина  U тоже равна нулю, т. е. внутренняя энергия изолированной системы постоянна (U = const); постоя­нен и ее объем (V = const). В изолированных системах само­ произвольно идут только те процессы, которые сопровождаются ростом энтропии системы:  S >0 ; при этом преде­лом самопроизвольного течения процесса является достижение максимальной для данных условий энтропии S max .

Рассмотренное положение представляет одну из формулиро­вок второго закона термодинамики (закон имеет статистический характер, т. е. применим лишь к системам, состоящим из очень большого числа частиц). Требование постоянства внутренней энергии и объема системы исключает использование энтропии как критерия направления и предела протекания химических реакций, при которых внутренняя энергия веществ неизбежно меняется, а также совершается работа расширения против вне­шнего давления.

Энтропийный и энтальпийный факторы химических реакций, протекающих в изобарно-изотермических условиях. Движущей силой процесса, протекающего в изобарно-изотермических усло­виях, может быть или стремление системы перейти в состояние с наименьшей энергией, т. е. выделить теплоту в окружающую среду, уменьшить энтальпию ( H <0), или стремление системы перейти в состояние с наибольшей термодинамической вероят­ностью, т. е. увеличить энтропию ( S >0). Если процесс протекает так, что  H =0 , то рост энтропии становится его единственной движущей силой. И, наоборот, при условии  S = 0 единственной движущей силой процесса является убыль энтальпии. В связи с этим можно говорить об энтальпийном  H и энтропийном T  S факторах процесса.

Максимальная работа. Голландский физико-химик Вант-Гофф предложил новую теорию химического сродства, которая, не объясняя природы химического сродства, ограничивается ука­занием способа его измерения, т. е. дает количественную оценку химическому сродству.

Вант-Гофф использует в качестве меры химического сродства максимальную работу Аили Адля реакций, протекающих при V , T = const или р, Т = const соответственно.

Максимальная работа равна энергии, которую нужно прило­жить к системе, чтобы остановить реакцию, т. е. преодолеть, силы химического сродства. Поскольку реакция протекает в направле­нии совершения положительной максимальной работы, знак Аили Аопределяет направление самопроизвольного тече­ния химического взаимодействия.

Максимальная работа при постоянном объеме равна

А= -  U + T  S (13)

А= -(U 2 – U 1 ) + T(S 2 – S 1 ) = -[(U 2 – TS 2 ) – (U 1 – TS 1 )] (14)

где U 1 , S 1 и U 2 , S 2 – величина внутренней энергии и энтропии системы в исходном и конечном состояниях соответственно.

Разность (U - TS ) называют энергией Гельмгольца системы и обозначают буквой F . Таким образом,

А= -  F . (15)

Реферат

Роль химии в решении энергетических проблем

Введение

Вся история развития цивилизации - поиск источников энергии. Это весьма актуально и сегодня. Ведь энергия - это возможность дальнейшего развития индустрии, получение устойчивых урожаев, благоустройство городов и оказание помощи природе в залечивании ран, нанесённых ей цивилизацией. Поэтому решение энергетической проблемы требует глобальных усилий.

1. Зарождение современной химии и ее проблемы в 21 веке

химия общество энергетический

Конец средних веков отмечен постепенным отходом от оккультизма, спадом интереса к алхимии и распространением механистического взгляда на устройство природы.

Ятрохимия.

Совершенно иных взглядов на цели алхимии придерживался Парацельс. Под таким выбранным им самим именем вошел в историю швейцарский врач Филипп фон Гогенгейм. Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии - не поиски способов получения золота, а изготовление лекарственных средств. Он заимствовал из алхимической традиции учение о том, что существуют три основные части материи - ртуть, сера, соль, которым соответствуют свойства летучести, горючести и твердости. Эти три элемента составляют основу макрокосма и связаны с микрокосмом, образованным духом, душой и телом. Переходя к определению причин болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступает паралич и т.д. Принцип, которого придерживались все ятрохимики, состоял в том, что медицина есть дело химии, и все зависит от способности врача выделять чистые начала из нечистых субстанций. В рамках этой схемы все функции организма сводились к химическим процессам, и задача алхимика заключалась в нахождении и приготовлении химических веществ для медицинских нужд.

Основными представителями ятрохимического направления были Ян Гельмонт, по профессии врач; Франциск Сильвий, пользовавшийся как медик большой славой и устранивший из ятрохимического учения «духовные» начала; Андреас Либавий, врач из Ротенбурга.

Их исследования во многом способствовали формированию химии как самостоятельной науки.

Механистическая философия.

С уменьшением влияния ятрохимии натурфилософы вновь обратились к учениям древних о природе. На первый план в 17 в. вышли атомистические воззрения. Одним из виднейших ученых - авторов корпускулярной теории - был философ и математик Рене Декарт. Свои взгляды он изложил в 1637 в сочинении Рассуждение о методе. Декарт полагал, что все тела «состоят из многочисленных мелких частиц различной формы и размеров, которые не настолько точно прилегают друг к другу, чтобы вокруг них не оставалось промежутков; эти промежутки не пустые, а наполнены… разреженной материей». Свои «маленькие частички» Декарт не считал атомами, т.е. неделимыми; он стоял на точке зрения бесконечной делимости материи и отрицал существование пустоты.

Одним из виднейших противников Декарта был французский физик и философ Пьер Гассенди.

Атомистика Гассенди была по существу пересказом учения Эпикура, однако, в отличие от последнего, Гассенди признавал сотворение атомов Богом; он считал, что Бог создал определенное число неделимых и непроницаемых атомов, из которых и состоят все тела; между атомами должна быть абсолютная пустота.

В развитии химии 17 в. особая роль принадлежит ирландскому ученому Роберту Бойлю. Бойль не принимал утверждения древних философов, считавших, что элементы мироздания можно установить умозрительно; это и нашло отражение в названии его книги Химик-скептик. Будучи сторонником экспериментального подхода к определению химических элементов, он не знал о существовании реальных элементов, хотя один из них - фосфор - едва не открыл сам. Обычно Бойлю приписывают заслугу введения в химию термина «анализ». В своих опытах по качественному анализу он применял различные индикаторы, ввел понятие химического сродства. Основываясь на трудах Галилео Галилея Эванджелиста Торричелли, а также Отто Герике, демонстрировавшего в 1654 «магдебургские полушария», Бойль описал сконструированный им воздушный насос и опыты по определению упругости воздуха при помощи U-образной трубки. В результате этих опытов был сформулирован известный закон об обратной пропорциональности объема и давления воздуха. В 1668 Бойль стал деятельным членом только что организованного Лондонского королевского общества, а в 1680 был избран его президентом.

Биохимия. Эта научная дисциплина, занимающаяся изучением химических свойств биологических веществ, сначала была одним из разделов органической химии. В самостоятельную область она выделилась в последнее десятилетие 19 в. в результате исследований химических свойств веществ растительного и животного происхождения. Одним из первых биохимиков был немецкий ученый Эмиль Фишер. Он синтезировал такие вещества, как кофеин, фенобарбитал, глюкоза, многие углеводороды, внес большой вклад в науку о ферментах - белковых катализаторах, впервые выделенных в 1878. Формированию биохимии как науки способствовало создание новых аналитических методов.

В 1923 шведский химик Теодор Сведберг сконструировал ультрацентрифугу и разработал седиментационный метод определения молекулярной массы макромолекул, главным образом белков. Ассистент Сведберга Арне Тизелиус в том же году создал метод электрофореза - более совершенный метод разделения гигантских молекул, основанный на различии в скорости миграции заряженных молекул в электрическом поле. В начале 20 в. русский химик Михаил Семенович Цвет описал метод разделения растительных пигментов при прохождении их смеси через трубку, заполненную адсорбентом. Метод был назван хроматографией.

В 1944 английские химики Арчер Мартини Ричард Синг предложили новый вариант метода: они заменили трубку с адсорбентом на фильтровальную бумагу. Так появилась бумажная хроматография - один из самых распространенных в химии, биологии и медицине аналитических методов, с помощью которого в конце 1940-х - начале 1950-х годов удалось проанализировать смеси аминокислот, получающиеся при расщеплении разных белков, и определить состав белков. В результате кропотливых исследований был установлен порядок расположения аминокислот в молекуле инсулина, а к 1964 этот белок удалось синтезировать. Сейчас методами биохимического синтеза получают многие гормоны, лекарственные средства, витамины.

Квантовая химия. Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Нильс Бор соединил в своей модели классические и квантовые представления о движении электрона. Однако искусственность такого соединения была очевидна с самого начала. Развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира.

В конце 20-х - начале 30-х годов XX века на основе квантовой теории формируются принципиально новые представления о строении атома и природе химической связи.

После создания Альбертом Эйнштейном фотонной теории света (1905) и выведения им статистических законов электронных переходов в атоме (1917) в физике обостряется проблема волна-частица.

Если в XVIII-XIX веках имелись расхождения между различными учеными, которые для объяснения одних и тех же явлений в оптике привлекали либо волновую, либо корпускулярную теорию, то теперь противоречие приобрело принципиальный характер: одни явления интерпретировались с волновых позиций, а другие - с корпускулярных. Разрешение этого противоречия предложил в 1924 г. французский физик Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, приписавший волновые свойства частице.

Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, немецкий физик Эрвин Шрёдингер в 1926 г. вывел основное уравнение т.н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Шредингер дал общее правило преобразования классических уравнений в волновые. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного стационарной волной материи. Волновая функция определяла плотность вероятности нахождения электрона в данной точке.

В том же 1926 г. другой немецкий физик Вернер Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от сформулированного Бором принципа соответствия.

Согласно принципу соответствия, законы квантовой физики должны переходить в классические законы, когда квантовая дискретность стремится к нулю при увеличении квантового числа. В более общем виде принцип соответствия можно сформулировать следующим образом: новая теория, которая претендует на более широкую область применимости по сравнению со старой, должна включать в себя последнюю как частный случай. Квантовая механика Гейзенберга позволяла объяснить существование стационарных квантованных энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем.

Фридрих Хунд, Роберт Сандерсон Малликен и Джон Эдвард Леннард-Джонс в 1929 г. создают основы метода молекулярных орбиталей. В основу ММО заложено представление о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Молекула, таким образом, состоит не из атомов, а представляет собой новую систему, образованную несколькими атомными ядрами и движущимися в их поле электронами. Хундом создаётся также современная классификация химических связей; в 1931 г. он приходит к выводу о существовании двух основных типов химических связей - простой, или ?-связи, и ?-связи. Эрих Хюккель распространяет метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 г. правило ароматической стабильности (4n+2), устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду.

Таким образом, в квантовой химии сразу выделяются два различных подхода к пониманию химической связи: метод молекулярных орбиталей и метод валентных связей.

Благодаря квантовой механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования связи между атомами. Кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности.

Вероятно, наиболее важным этапом в развитии современной химии было создание различных исследовательских центров, занимавшихся, помимо фундаментальных, также прикладными исследованиями.

В начале 20 в. ряд промышленных корпораций создали первые промышленные исследовательские лаборатории. В США была основана химическая лаборатория «Дюпон», лаборатория фирмы «Белл». После открытия и синтеза в 1940-х годах пенициллина, а затем и других антибиотиков появились крупные фармацевтические фирмы, в которых работали профессиональные химики. Большое прикладное значение имели работы в области химии высокомолекулярных соединений.

Одним из ее основоположников был немецкий химик Герман Штаудингер, разработавший теорию строения полимеров. Интенсивные поиски способов получения линейных полимеров привели в 1953 к синтезу полиэтилена, а затем других полимеров с заданными свойствами. Сегодня производство полимеров - крупнейшая отрасль химической промышленности.

Не все достижения химии оказались благом для человека. При производстве красок, мыла, текстиля использовали соляную кислоту и серу, представлявшие большую опасность для окружающей среды. В 21 в. производство многих органических и неорганических материалов увеличится за счет вторичной переработки использованных веществ, а также за счет переработки химических отходов, которые представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды.

2. Роль химии в решении энергетических проблем

Вся история развития цивилизации - поиск источников энергии. Это весьма актуально и сегодня. Ведь энергия - это возможность дальнейшего развития индустрии, получение устойчивых урожаев, благоустройство городов и оказание помощи природе в залечивании ран, нанесённых ей цивилизацией. Поэтому решение энергетической проблемы требует глобальных усилий. Свой немалый вклад делает химия как связующее звено между современным естествознанием и современной техникой.

Обеспеченность энергией является важнейшим условием социально-экономического развития любой страны, ее промышленности, транспорта, сельского хозяйства, сфер культуры и быта.

Но в ближайшие десятилетие энергетики ещё не сбросят со счетов ни дерево, ни уголь, ни нефть, ни газ. И в то же время они должны усиленно разрабатывать новые способы производства энергии.

Химическая промышленность характеризуется тесными связями со всеми отраслями народного хозяйства благодаря широкому ассортименту производимой ею продукции. Эта область производства отличается высокой материалоемкостью. Материальные и энергетические затраты в производстве продукции могут составлять от 2/3 до 4/5 себестоимости конечного продукта.

Развитие химической технологии идет по пути комплексного использования сырья и энергии, применения непрерывных и безотходных процессов с учетом экологической безопасности окружающей среды, применения высоких давлений и температур, достижений автоматизации и кибернетизации.

Особенно много энергии потребляет химическая промышленность. Энергия тратится на осуществление эндотермических процессов, на транспортировку материалов, крошение и измельчение твердых веществ, фильтрование, сжатие газов и т.п. Значительных затрат энергии нуждаются в производстве карбида кальция, фосфора, аммиака, полиэтилена, изопрена, стирола и т.п. Химические производства вместе с нефтехимическими являются энергоёмкими областями индустрии. Выпуская почти 7% промышленной продукции, они потребляют в пределах 13-20% энергии, которая используется всей промышленностью.

Источниками энергии чаще всего являются традиционные невосстановимые природные ресурсы - уголь, нефть, природный газ, торф, сланцы. В последнее время они очень быстро истощаются. Особенно ускоренными темпами уменьшаются запасы нефти и природного газа, а они ограничены и непоправимые. Неудивительно, что это порождает энергетическую проблему.

В течение 80 лет одни основные источники энергии сменялись другими: дерево заменили на уголь, уголь - на нефть, нефть - на газ, углеводородное топливо - на ядерное. К началу 80-х годов в мире около 70% потребности в энергии удволетворялось за счёт нефти и природного газа, 25% - каменного и бурого угля и лишь около 5% - других источников энергии.

В разных странах энергетическую проблему решают по-разному, тем не менее, всюду в её решение значительный вклад делает химия. Так, химики считают, что и в будущем (приблизительно еще лет 25-30) нефть сохранит свою позицию лидера. Но ее взнос в энергоресурсы заметно сократится и будет компенсироваться выросшим использованием угля, газа, водородной энергетики ядерного горючего, энергии Солнца, энергии земных глубин и других видов восстановительной энергии, включая биоэнергетику.

Уже сегодня химики беспокоятся о максимальном и комплексном энерготехнологическом использовании топливных ресурсов - уменьшением потерь теплоты в окружающую среду, вторичным использованием теплоты, максимальным применением местных топливных ресурсов и т.п.

Поскольку среди видов горючего наиболее дефицитным является жидкое, во многих странах выделены крупные средства для создания рентабельной технологии переработки угля в жидкое (а также газообразное) топливо. В этой области сотрудничают учёные России и Германии. Суть современного процесса переработки угля в синтез-газ заключается в следующем. В плазменный генератор подаётся смесь водяного пара и кислорода, которая разогревается до 3000оС. А затем в раскалённый газовый факел поступает угольная пыль, и в результате химической реакции образуется смесь оксида углерода (II) и водорода, т.е. синтез-газ. Из него получают метанол: CO+2H2?СH3OH. Метанол может заменить бензин в двигателях внутреннего сгорания. В плане решения экологической проблемы он выгодно отличается от нефти, газа, угля, но, к сожалению, теплота его скорания в 2 раза ниже, чем у бензина, и, кроме того, он агрессивен по отношению к некоторым металлам, пластическим массам.

Разработаны химические методы изъятия вяжущей нефти (содержит высокомолекулярные углеводороды), значительная часть которой остается в подземных амбарах. Для увеличения выхода нефти в воду, которую закачивают в пласты, прибавляют поверхностно-активные вещества, их молекулы размещаются на границе нефть-вода, которая увеличивает подвижность нефти.

Будущее пополнение топливных ресурсов объединяют с рациональной переработкой угля. Например, измельченный уголь смешивается с нефтью, на добытую пасту действуют водородом под давлением. При этом образовывается смесь углеводородов. На добывание 1 т искусственного бензина тратится около 1 т угля и 1500 м водорода. Пока что искусственный бензин дороже добытого из нефти, тем не менее, важна принципиальная возможность его добывания.

Очень перспективной видится водородная энергетика, которая основывается на сжигании водорода, во время которого вредные выбросы не возникают. Тем не менее, для ее развития нужно решить ряд задач, связанных со снижением себестоимости водорода, созданием надежных средств его хранения и транспортировки и т.п. Если эти задачи будут разрешимы, водород будет широко использоваться в авиации, водном и наземном транспорте, промышленном и сельскохозяйственном производствах.

Неисчерпаемые возможности содержит ядерная энергетика, ее развитие для производства электроэнергии и теплоты дает возможность высвободить значительное количество органического топлива. Здесь перед химиками стоит задача создать комплексные технологические системы покрытия энергетических затрат, которые происходят во время осуществления эндотермических реакций, с помощью ядерной энергии. Сейчас ядерная энергетика развивается по пути широкого внедрения реакторов на быстрых нейтронах. В таких реакторах используется уран, обогащённый изотопом 235U (не менее чем на 20%), а замедлителя нейтронов не требуется.

В настоящее время ядерная энергетика и реакторостроение - это мощная индустрия с большим объёмом капиталовложений. Для многих стран она важная статья экспорта. Для реакторов и вспомогательного оборудования требуются особые материалы, в том числе высокой частоты. Задача химиков, металлургов и других специалистов - создание таких материалов. Над обогащением урана тоже работают химики и представители других смежных профессий.

Сейчас перед атомной энергетикой стоит задача вытеснить органическое топливо не только из сферы производства электроэнергии, но так же из теплоснабжения и в какой-то мере из металлургической и химической промышленности путём создания реакторов энерготехнологического значения.

АЭС в перспективе найдут ещё одно применение - для производства водорода. Часть полученного водорода будут потреблятся химической промышленностью, другая часть послужит для питания газотурбинных установок, включаемых при пиковых нагрузках.

Большие надежды возлагаются на использование солнечной радиации (гелиоэнергетика). В Крыму действуют солнечные батареи, фотогальванические элементы которых превращают солнечный свет в электричество. Для опреснения воды и отопления жилья широко используются солнечные термоустановки, которые превращают солнечную энергию в теплоту. Солнечные батареи уже давно применяются в навигационных сооружениях и на космических кораблях. В
отличие от ядерной, стоимость энергии, которую добывают с помощью солнечных батарей, постоянно снижается. Для изготовления солнечных батарей главным полупроводниковым материалом является силиций и соединения силиция. Ныне химики работают над разработкой новых материалов-преобразователей энергии. Это могут быть разные системы солей как накопители энергии. Дальнейшие успехи гелиоэнергетики зависят от тех материалов, которые предложат химики для преобразования энергии.

В новом тысячелетии прирост производства электроэнергии будет происходить за счет развития солнечной энергетики, а также метанового брожения бытовых отходов и других нетрадиционных источников добывания энергии.

Наряду с гигантскими электростанциями существуют и автономные химические источники тока, преобразующие энергию химических реакций непосредственно в электрическую. В решении этого вопроса химии принадлежит главная роль. В 1780 г. итальянский врач Л. Гальвани, наблюдая сокращение отрезанной лапки лягушки после прикосновения к ней проволочками из разных металлов, решил, что в мышцах имеется электричество, и назвал его «животным электричеством». А. Вольта, продолжая опыт своего соотечественника, предположил, что источником электричества является не тело животного: электрический ток возникает от соприкосновения разных металлических проволочек. «Предком» современных гальванических элементов можно считать «электрический столб», созданный А. Вольтой в 1800 г. Это изобретение похоже на слоёный пирог из нескольких пар металлических пластин: одна пластина из цинка, вторая - из меди, уложенные друг на друга, а между ними помещена войлочная прокладка, пропитанная разбавленной серной кислотой. До изобретения в Германии В. Сименсом в 1867 г. динамо-машины гальванические элементы были единственным источником электрического тока. В наши дни, когда автономные источники энергии понадобились авиации, подводному флоту, ракетной технике, электронике, внимание учёных снова обращено к ним.

Заключение

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.

Я рассказала далеко не о всех направлениях решения энергетической проблемы учёными мира, а только об основных. В каждой стране она имеет свои особенности: социально-экономические и географические условия, обеспеченность природными богатствами, уровень развития науки и техники.

с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.