Химия и её применение в отраслях

Химия играет ключевую роль в обеспечении пищевой и энергетической
безопасности, в развитии медицины. Она предоставляет широкий спектр веществ,
необходимых для различных секторов экономики. Рассмотрим несколько
основных направлений, в которых химия имеет важное значение.
Химия и сельское хозяйство
В сельском хозяйстве химические вещества широко применяются в
растениеводстве и животноводстве. Это:



минеральные удобрения;
средства защиты растений;
кормовые добавки для откорма животных.
Использование минеральных удобрений и пестицидов способствует увеличению
урожайности растений. Применение кормовых добавок обеспечивает высокую
продуктивность животноводства.
Рис. 1. Минеральное удобрение
Химия и медицина
В медицине химия занимает важное место, так как только на основе химических
исследований можно объяснять причины многих заболеваний и находить пути их
лечения. В медицинской практике используется огромное количество
органических и неорганических веществ. Это лекарства, обеззараживающие и
дезинфицирующие вещества, материалы для протезирования и производства
медицинских инструментов.
Для предупреждения заражения болезнетворными микроорганизмами в
медицинских учреждениях применяют обеззараживающие средства: пероксид
водорода, этанол, раствор иода в этаноле или в глицерине и т. д., а для
уничтожения микробов в помещениях (перевязочных, операционных и др.) их
обрабатывают озоном.
Большое значение имеет создание материалов для протезирования зубов,
изношенных суставов и конечностей после травм и ранений.
Химики обеспечивают медицину также материалами для производства
инструментов. Из полимеров изготавливают одноразовые шприцы, капельницы,
хирургические перчатки и другие приспособления, а из сплавов металлов —
хирургические инструменты.
Рис. 1. Капельница
Химия и строительство
Химия обеспечивает строительную отрасль стройматериалами, пластмассами,
красками.
Сырьём для производства строительных материалов служат глина, песок,
известняк, гипс.
При сооружении зданий используют вяжущие материалы, к которым относятся
известь, цемент и бетон, гипс. Их смешивают с водой и получают тестообразную
массу, превращающуюся при высыхании в твёрдый материал.
Один из таких материалов — гашёная известь. Её смешивают с песком и водой.
Полученный известковый раствор используют при кладке стен из кирпича, а
также в качестве штукатурки. Гидроксид кальция реагирует с углекислым газом из
воздуха с образованием нерастворимого карбоната.
Цемент тоже применяется для скрепления кирпичей при кладке стен. Из цемента
и воды готовят тестообразную смесь (раствор), которая при высыхании
затвердевает и превращается в камень.
Для увеличения объёма и прочности в цементный раствор добавляют песок,
щебень и другие наполнители. Получается бетон. В бетон часто вводят железную
арматуру и получают более прочный железобетон. Бетон и железобетон
используют для строительства массивных сооружений.
Рис. 3. Приготовление бетона
Одним из необходимых материалов для постройки зданий является стекло.
Сырьём для производства обычного оконного стекла служат известняк, песок и
сода.
В современном строительстве широко используются полимерные материалы.
Так, снаружи дома утепляют пенопластом (вспененным полистиролом), а двери и
окна изготавливают из ПВХ (поливинилхлорида). Полимеры входят в состав
плиточных клеев, смесей для затирки швов. Из них изготавливают трубы для
водопровода и канализации.
Химические вещества входят в состав красок. Краски — это жидкие смеси,
содержащие пигменты (красители). В тонком слое краски затвердевают и
образуют прочную плёнку, покрывающую поверхность.
Химия и энергетика
Некоторые отрасли энергетики используют для производства энергии
химические реакции.
Тепло и энергию для приготовления пищи мы получаем, сжигая разные виды
топлива. С древних времён люди используют твёрдое топливо. Это древесина, а
также каменный уголь и торф.
Более удобным бытовым топливом является газ. Используется природный газ,
состоящий из метана, этана, пропана и бутана, а также сжиженный газ (пропанбутановая смесь). При сгорании газа выделяется много тепла.
Для работы транспорта тоже нужно топливо. В основном транспорт работает
на жидком топливе, которое получают переработкой нефти. Это бензин, керосин,
дизельное топливо. Они состоят из жидких нециклических и циклических
углеводородов. При сгорании этих веществ в двигателях выделяется энергия
Важное направление энергетики — создание источников энергии, работающих без
топлива. Широкое распространение получили гальванические
элементы и солнечные батареи.
Рис. 4. Солнечная батарея
Качества, необходимые людям химических
профессий
Возможно, именно тебе предстоит стать в будущем химиком.
Для этого нужно не только хорошо знать теоретический учебный материал, но и
развивать личностные качества и способности, необходимые для человека,
выбравшего своей специализацией химию. Вот некоторые из этих качеств.






Технические навыки: умение работать с лабораторным оборудованием,
понимание химических процессов.
Аналитическое мышление: способность анализировать данные, выявлять
закономерности и делать выводы на основе экспериментальных результатов.
Внимание к деталям: точность и аккуратность в лабораторных исследованиях и
производственных процессах.
Коммуникативные навыки: умение чётко и эффективно передавать
информацию при взаимодействии с коллегами.
Командная работа: способность работать в команде, так как многие проекты
требуют согласованных усилий многих специалистов.
Соблюдение норм безопасности: знание и выполнение правил техники
безопасности в лаборатории и на производстве.
Эти качества помогают химиками эффективно выполнять свои обязанности и
достигать успешных результатов в профессиональной деятельности.
Моющие средства предназначены для мытья и очистки поверхностей от
загрязнений. В их состав входят поверхностно-активные вещества (ПАВ). ПАВ —
это вещества, способные снижать поверхностное натяжение. Частицы этих
веществ состоят из двух частей: гидрофильной (взаимодействующей с водой) и
гидрофобной (стремящейся уйти из воды).
Рис. 1. Механизм действия ПАВ
Для ухода за телом и для стирки используется мыло. Основа мыла — соли
жирных кислот. Твёрдое мыло состоит из натриевых солей, а жидкое — из
калиевых.
Синтетические моющие средства в качестве основного компонента содержат
натриевые соли кислых эфиров высших спиртов и серной кислоты.
Кроме ПАВ в состав мыла и стиральных порошков входят различные добавки:
отдушки, отбеливатели, красители, средства для смягчения воды и усиления
моющего действия (сода, силикаты, фосфаты) и другие. Некоторые стиральные
порошки, предназначенные для удаления белковых загрязнений (кровь, молоко,
какао), содержат ферменты (энзимы).
Поверхностно-активные вещества входят также в состав шампуней.
Косметические и парфюмерные средства
Косметические средства — это зубные пасты, кремы, лосьоны, губные помады,
лаки для волос и ногтей, тушь для ресниц, тени для век и множество других
подобных товаров.
Парфюмерная продукция — это духи, одеколоны, дезодоранты, туалетная вода.
Каждое средство представляет собой смесь многих компонентов. Их число может
доходить до 50. Основу составляют вещества, соответствующие назначению
средства. Приведём несколько примеров.



Зубные пасты содержат абразивные вещества (фосфат кальция, карбонат
кальция, оксид кремния) и противокариесные добавки (фторид олова(IV), фторид
натрия).
В духах содержатся синтетические ароматизаторы и природные эфирные масла,
а также растворители (этанол, вода и другие).
В состав солнцезащитного крема входят вещества, поглощающие УФ-лучи (оксид
титана(IV), оксид цинка).
Кроме основных ингредиентов в состав этих средств обязательно входят добавки,
придающие определённый цвет и приятный запах, а также консерванты,
предотвращающие порчу средств.
К сожалению, в косметике встречаются вещества, которые могут негативно влиять
на здоровье людей. Наиболее частые проявления такого влияния — раздражение
кожи и аллергические реакции.
Проблемой является также то, что все косметические средства рано или поздно
оказываются в сточных водах и попадают в окружающую среду.
К выбору косметики нужно подходить ответственно, обязательно изучать её
состав и возможное действие на организм.
Средства бытовой химии
Для очистки поверхностей от жировых загрязнений, ржавчины, известкового
налёта, микроорганизмов используют специальные средства бытовой химии. У
каждого средства своё назначение и свой состав.
Для удаления ржавчины и известкового налёта используются кислоты (соляная,
серная, фосфорная, муравьиная, щавелевая, лимонная). Для удаления жировых
загрязнений применяют щёлочи (гидроксид натрия, гидроксид калия). Для
дезинфекции (уничтожения микроорганизмов) применяют средства, содержащие
хлор, перекись водорода.
Все перечисленные вещества опасны для человека, поэтому обращаться со
средствами бытовой химии нужно осторожно.
Правила обращения с чистящими
веществами







Все средства бытовой химии следует применять строго по назначению.
Перед использованием любого средства нужно внимательно прочитать
инструкцию.
Все средства бытовой химии хранят в безопасном месте. К месту хранения не
должно быть доступа для детей.
С чистящими средствами работают в перчатках.
Остатки чистящих средств нужно смыть с поверхности водой.
После применения средств бытовой химии необходимо обязательно проветрить
помещение.
Смешивать чистящие средства нельзя. Содержащиеся в них вещества могут
прореагировать между собой и привести к нежелательному результату.
Достижения науки и техники позволяют создавать комфортные условия для жизни
человека. Но быстрый рост потребления приводит к экологическим проблемам:
загрязнению окружающей среды, исчерпанию природных ресурсов.
Большую проблему в настоящее время представляют твёрдые бытовые и
промышленные отходы. Это пластмассы, бумага, металлы, стекло, остатки
пищи, побочные продукты промышленных производств.
Рис. 1. Мусор на пляже
Природные водоёмы загрязняются сточными водами, содержащими
поверхностно-активные вещества, пестициды, соли (фосфаты из СМС и
минеральных удобрений, нитраты из удобрений, хлориды, сульфаты и др.),
тяжёлые металлы и другие неорганические и органические вещества.
Рис. 2. Сброс сточных вод в водоём
В воздух постоянно выбрасываются выхлопные газы разных видов транспорта и
промышленных предприятий, содержащие пыль, оксиды азота, оксид серы(IV),
оксиды углерода.
Рис. 3. Загрязнение воздуха
Все эти загрязнения влияют на состояние окружающей среды, вызывают
изменения в функционировании живых организмов, в том числе и человека.
Результатом их действия является рост числа мутаций и болезней.
Человечество не может обойтись без применения продуктов химической
промышленности. Поэтому перед химиками и экологами стоит задача найти
способы снижения вреда от разных видов загрязнений. Для этого необходимо
отслеживать источники поступления таких веществ в природу и находить пути их
обезвреживания, а также способы переработки в полезные продукты.
Меры по защите окружающей среды
Химические производства строят вдали от жилых кварталов. На таких
предприятиях обычно небольшое количество персонала, так как большинство
процессов автоматизировано. На них устанавливаются жёсткие меры охраны
труда.
Отходы могут быть ценным сырьём, и их стараются использовать с пользой.


Шлак металлургических заводов служит сырьём в производстве стройматериалов.
Сероводород, образующийся при переработке нефти, расходуется на
производство серной кислоты.

Твёрдые отходы в развитых странах сортируют. Пластик, макулатуру, отходы
стекла и металлов используют в качестве вторсырья для производства полезной
продукции.
Рис. 4. Раздельный сбор мусора
Наиболее эффективным способом защиты окружающей среды является
создание безотходных или малоотходных производств. Примером может
служить производство аммиака, в котором азотоводородная смесь многократно
проходит через колонну синтеза и полностью превращается в аммиак. Такая же
технология применяется и в производстве метанола из синтез-газа.
Если отходы образуются, то применяют разные способы очистки газообразных и
жидких веществ.


Выхлопные газы с помощью фильтров очищают от пыли, а газообразные
вещества переводят в безопасное состояние, пропуская через жидкие или
твёрдые поглотители.
Сточные воды сначала попадают на очистные сооружения, где они проходят
многоступенчатую обработку, включающую фильтрование, отстаивание,
биологическую очистку с помощью микроорганизмов, химическую обработку.
Только после очистки воды попадают в реки или озёра.
Учёные разных стран проводят исследования по созданию экологически
безопасных материалов.
В последние годы всё больше используются биоразлагаемые полимеры.
Учёные из Красноярска разработали материал, который полностью разлагается в
почве грибами и бактериями за семь месяцев. О составе и свойствах полученного
пластика можно узнать из статьи.
Исследователям Китайской академии наук удалось получить «живой пластик» —
материал, который способен самоуничтожаться, когда его выбрасывают.
Понятие о предельно допустимой
концентрации
В экологии и химии используется понятие «предельно допустимая концентрация»
(ПДК).
ПДК — это максимальная концентрация вредного вещества в окружающей
среде, которая при постоянном присутствии в течение длительного
времени не оказывает неблагоприятного влияния на работоспособность и
самочувствие человека, не вызывает патологических изменений и
заболеваний.
Максимальные разовые и среднесуточные значения ПДК для разных веществ
определены в ходе научных исследований и внесены в нормативные документы.
Приведём примеры ПДК для некоторых веществ в воздухе населённых пунктов.
Вещество
ПДК в воздухе
населённых пунктов,
мкг/м³ (среднесуточная)
Анилин
30
Ацетилен
600
Бензол
40
Бутан
10
Диметиламин
2
Метан
2000
Оксид азота(II)
240
Оксид азота(IV)
100
Серная кислота
100
Формальдегид
12
Соблюдение ПДК помогает предотвратить развитие заболеваний, связанных с
воздействием токсичных или канцерогенных веществ. Разработаны системы
мониторинга и контроля, которые позволяют своевременно выявлять и устранять
источники загрязнения, также обеспечивать выполнение экологических норм.