Recommended
More Related Content
What's hot
What's hot (20)
Viewers also liked
Viewers also liked (11)
Similar to Елисеев. Химические лаборатории будущего. Проект «Ломоносовский обоз. Дорога в будущее»
Similar to Елисеев. Химические лаборатории будущего. Проект «Ломоносовский обоз. Дорога в будущее» (20)
Елисеев. Химические лаборатории будущего. Проект «Ломоносовский обоз. Дорога в будущее»
- 1. Химические лаборатории будущего: проекты, решения, задачи. Проектная работа ученика 10 класса МОУ «Георгиевская гимназия» г. Егорьевск Московской обл. Елисеева Егора
- 2. О чем пойдет речь • 1. Вступление • 2. Переработка мусора. • 3. Альтернативные полимеры. • 4. Топливо и энергетика. • 5. Альтернативные источники энергии. • 6. Новые материалы и их синтез.
- 3. Переработка мусора 7315 88468 92946 114547 117105 122991 2000 2005 2006 2007 2008 2009 Образование твердых бытовых отходов в РФ, м³
- 4. Динамика образования токсичных отходов по отраслям промышленности Российской Федерации, млн. т 0 10 20 30 40 Цветная металлургия Черная металлургия Химическая и нефтехимическая Угольная Производство стройматериалов Электроэнергетика Нефтедобывающая Машстрой и металлообработка Пищевая Деревообработка и ЦБ Нефтепереработка Газовая Легкая 2000 1995
- 5. • Метод утилизации мусора путем его сжигания с последующим захоронением образующейся золы на специальных полигонах обладает серьезными недостатками, такими как образование сильно ядовитых химических соединений, например, диоксинов и фуранов.
- 6. Вещества, образующиеся при разложении тефлона
- 7. Переработка тефлона • COF2 + 4 NH3 (сухой) = (NH2)2CO + 2 NH4F Образующаяся мочевина (карбамид) может быть использована как удобрение. Перфторизобутилен и тетрафторэтилен могут быть использованы вновь для получения фторопластов. Гексафторпропилен применяется в плазменной технологии для нанесения тефлоноподобных слоев на поверхности.
- 8. Методы переработки ПЭТ (полиэтилентерефталата, лавсана) 1. Разложение отходов с целью получения мономеров или олигомеров. 2. Химическая модификация для производства материалов с новыми свойствами. 3. Переосаждение из растворов с целью получения порошков для нанесения покрытий.
- 9. 0 20 40 60 80 100 120 140 Значения удельной теплоты сгорания различных видов топлива Удельная теплота сгорания, МДж/кг (кДж/г)
- 11. Биодизель • Биодизель получают из растительных масел, состоящих в основном из глицеридов, элементами которых, в свою очередь, являются остатки трехатомного спирта глицерина и жирных кислот, путем их переэтерификацией метиловым спиртом с образованием сложных эфиров метанола и соответствующих жирных кислот.
- 12. Возможная стратегия 1) Конверсия метана (CH4), вырабатываемого анаэробными археями, в синтез-газ: CH4 + H2O (пар) → СO + 3 H2; 2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2. 2) Использование этого газа в реакциях процесса Фишера- Тропша: n CO + (2n+1) H2 → CnH(2n+2) + n H2O, в ходе которых образуются крупные, преимущественно линейные молекулы алканов (как правило, содержащие от 10 до 20 атомов углерода). 3) Использование полученной смеси алканов как топлива.
- 14. Еще не полученные соединения, которые могли бы стать альтернативными источниками энергии
- 15. Водородная энергетика Преимущества водородной энергетики: 1. Водород – наиболее распространенный элемент во Вселенной; 2. Водород при сгорании дает очень много тепла (удельная теплота его сгорания – 120,9 МДж/кг); 3. Единственный продукт его сгорания – вода, которая может быть использована вновь для получения водорода.
- 16. Вещества, способные генерировать водород «на месте» • Борогидрид натрия: NaBH4 + 2 H2O → NaBO2 + 4 H2 (катализатор – рутений, Ru); • Алюмогидрид лития: Li[AlH4] + 4 H2O → LiOH + Al(OH)3 + 4 H2; • Губчатая платина; • Палладий, выкованный в виде пластинки.
- 19. Гибридные материалы и методы их получения • 1. Темплатный синтез. • 2. Золь-гель процесс. • 3. Гидротермальная об- работка.
- 20. Типы изомерии
- 21. Реакция Дильса-Альдера в природе
- 22. Методы извлечения золота из руд Извлечение тиосульфатом аммония Извлечение цианидами 1) Cu2+ (р-р) + 4 NH3(р-р) → [Cu(NH3)4]2+ (р-р); 1) 4 Au + 8 NaCN + 2 H2O + O2 → 4 Na[Au(CN)2] + 4 NaOH; 2) Au(тв.) + [Cu(NH3)4]2+ (р-р) + 5 S2O3 2- (р-р) → [Au(S2O3)2]3- (р-р) + [Cu(S2O3)3]5- (р-р) + 4 NH3(р-р); 2) 2 Na[Au(CN)2] + Zn → Na2[Zn(CN)4] + 2 Au↓. 3) 4 [Cu(S2O3)3]5- (р-р) + 16 NH3(р-р) + O2(г.) + 2 H2O → 4 [Cu(NH3)4]2+ (р-р) + 12 S2O3 2- (р-р) + 4 OH- (р-р) (образующийся [Cu(NH3)4]2+ катализирует растворение золота); 4) 2 (NH4)3[Au(S2O3)2] + 5 O2 → 2 Au + 6 NH3 + 3 H2SO4 + 5 SO2↑ (при нагревании).
- 24. Использованная литература • Лазарев Н.В. «Вредные вещества в промышленности» • Auckland-Genesis Research and Development Corp. Of New Zealand «Green plastic produced from Biojoule material» • T. Hsien-Chung «Production of pentanol in metabolically engineered Escherichia coli» • K. O. Christie, R. Haiges, Th. Schroer and others «All Nitrogen or High Nitrogen Compounds as High Energy Density Materials» • Уфимский государственный университет экономики и сервиса «1.4. Химическая модификация полимеров» • T. Kalabegishvili, I. Murusidze, E. Kirkesale and others «Synthesis of gold and silver nanoparticles by some microorganisms» • H. J. Kim, M. W. Ruszczycky, Sei-hyun Choi and others «Enzyme- catalyzed [4+2] cycloaddition is a key step in the biosynthesis of spinosyn A»
Editor's Notes
- Химическая промышленность достигла к настоящему времени больших высот. Казалось бы, у нас есть все, что нужно для комфортной жизни: жидкие кристаллы в телевизорах, полупроводниковые пластины в микропроцессорах, фармацевтические препараты всевозможных назначений… Но, как говорится, нет предела совершенству, и всегда можно в чем-то улучшить существующие методы и технологии, к тому же есть перспективные молодые отрасли химической промышленности и нерешенные проблемы в традиционных отраслях, причем к ним относятся как проблемы, представляющие чисто научный интерес, так и технологически важные. На разрешение этих проблем, я считаю, и должна быть направлена работа химических лабораторий будущего. Об основных направлениях их деятельности и будет написано далее.
- Начну с первого и, на мой взгляд, самого важного. Ни для кого не секрет, что в мире становится слишком много мусора. На приложенных графиках представлена динамика образования твердых бытовых отходов (ТБО) в Российской Федерации (слайды 3-4). Его сбрасывают в водоемы, где рыбы и другие животные могут перепутать его с едой (например, известны случаи, когда черепахи принимали пластиковые пакеты за медуз, поедали их и погибали) и где он может нанести увечья людям или застрять в моторах судов.
- Его также могут сжигать, что и практикуется на свалках и мусоросжигательных полигонах, что увеличивает количество выбросов вредных веществ в атмосферу.
- Например, при разложении тефлона образуются такие вещества, как очень горючие тетрафторэтилен, а также высокотоксичные дифторфосген, перфторизобутилен и гексафторпропилен.
- Поэтому было бы логично проводить химическую переработку мусора, например, утилизировать полимеры путем того же термического разложения и превращения его в другие полезные соединения. Ниже представлен вариант переработки вышеназванного дифторфосгена, при этом образуется мочевина (карбамид), которая может быть использована как удобрение. Остальные вещества можно использовать вновь для получения фторопластов.
- Также существуют различные методы переработки полиэтилентерефталата (ПЭТ, лавсана), к примеру: Разложение отходов с целью получения мономеров или олигомеров. Химическая модификация для производства материалов с новыми свойствами. Переосаждение из растворов с целью получения порошков для нанесения покрытий. Сюда же можно отнести проблему того, что в производстве многих полимеров используются ядовитые вещества, которые при утечке могут вызвать массовое отравление населения (например, винилхлорид, необходимый для получения ПВХ), поэтому необходимо постепенно заменять их высокомолекулярными соединениями из биосырья; так, недавно была предпринята успешная попытка синтеза полиуретановой пены из лигнина – вещества, содержащегося в древесине, точнее, в одеревеневших стенках растительных клеток.
- Теперь поговорим о топливе. Энергетика – одна из важнейших отраслей промышленности, так как без энергии – механической, тепловой, электрической и т.п. – нигде нельзя обойтись. Но традиционные источники топливного сырья, такие, как нефть и природный газ, не полностью удовлетворяют потребности потребителей, поскольку количество данных ресурсов в природе ограничено и выхлопные газы, содержащие продукты неполного сгорания топлива, могут быть опасны для живых организмов. Поэтому в лабораториях будущего должна иметь место быть разработка новых видов топлива, желательно дающих большее количество теплоты, чем традиционное, и более экологически чистых. Ниже представлены значения удельной теплоты сгорания различных видов альтернативного топлива.
- Ранее предлагали использовать в качестве топлива этанол, получаемый из сахарного тростника или кукурузы, но, во-первых, этанол при сгорании дает меньше энергии, чем бензин, а во-вторых, при неполном окислении этого спирта образуются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), которые не менее опасны для живых организмов, чем ароматические углеводороды, содержащиеся в топливе на основе нефти, к тому же этанол очень хорошо смешивается с водой, что может привести к коррозии при транспортировке топлива. Поэтому целесообразнее было бы использовать бутанол, который можно получать с использованием бактерий (Clostridia acetobutylicum), так как его энергия сгорания близка к энергии сгорании бензина, или метанол, о котором будет написано чуть ниже. Также возможно использование биогенного диметилового эфира, так как его цетановое число составляет более 55 в то время, как у обычного дизеля из нефти – от 38 до 53, то есть топливо из диметилового эфира горит примерно в 1,5 раза спокойнее и плавнее, чем обычное. К тому же можно использовать в качестве топлива н-пентанол, потому что его энергия сгорания еще ближе к энергии сгорания бензина, чем у бутанола; топливо на основе пентанола, как показали исследования Государственной лаборатории автомобильной безопасности и энергии в Пекине, имеет большую максимальную скорость тепловыделения и меньшую длительность сгорания, чем у обычного дизельного топлива. Другие плюсы топлива из пентанола состоят в том, что эмиссии угарного газа (CO), оксидов азота (NOx) и сажи практически полностью отсутствуют, а также в том, что его можно синтезировать с помощью бактерий кишечной палочки (Escherichia coli) из глюкозы или глицерина.
- Кроме того, в будущем могут стать удобными автомобили, работающие на биодизеле, получаемого из растительных масел путем обработки их метиловым спиртом, потому, что за счет этого сокращаются выбросы CO2, к тому же биодизель, получаемый таким способом, во-первых, практически не содержит серы, в отличие от обычного, и во-вторых, полностью разлагаем живыми организмами. Некоторые публицисты предлагают модель развития энергетики, основанной на метаноле в качестве главного топлива. У метилового спирта высокая теплота сгорания, поэтому цилиндры двигателя наполняются лучше, и это приводит к увеличению полноты сгорания смеси метанола и воздуха, вследствие чего повышается мощность двигателя. К тому же метанол достаточно легко получить из вышеупомянутого синтез-газа. Но есть у так называемой «экономики метанола» и недостатки, связанные в основном с тем, что метанол очень ядовит, легковоспламеняем, способен смешиваться с водой в любых соотношениях (что может вызвать вызвать засорение систем подачи), малолетуч на холоде и способен вызывать эмиссию летучих органических соединений.
- И напоследок можно было бы использовать следующую стратегию (на слайде). Эта схема может разрабатываема в лабораториях будущего, так как, во-первых, большие молекулы алканов меньше влияют на озоновый слой, чем метан, из-за меньшей летучести, во-вторых, в данном топливе содержится намного меньше серы, чем в нефтяном дизеле, что обеспечивает меньшее попадание ее газообразных соединений в атмосферу, и в-третьих, они дают намного больше тепла, чем тот же метан, потому что: 1. Стандартное изменение энтальпии горения увеличивается на величину около 650 кДж/моль на одну группу –CH2-; 2. Линейные алканы имеют бόльшие значения стандартного изменения энтальпии горения, чем разветвленные. Но все вышеназванные методы требуют совмещения химической лаборатории с биологической. Можно ли получать энергию лишь из «неживого» топлива? Чтобы ответить на этот вопрос, вернемся к алканам, о которых говорилось ранее.
- Предельные углеводороды вообще и метан в частности в воде при обычных условиях практически не растворяются, поэтому их содержание в Мировом океане ничтожно. Но тем не менее, при высоких давлениях и низких температурах (то есть в условиях, наблюдаемых на дне океана) метан может кристаллизовываться с водой, образуя гидраты. При их разложении выделяется много энергии, что дает им шанс быть широко используемыми в будущем в качестве топлива. Также перспективным источником энергии являются полиазотистые соединения, такие, как азиды, пентазолиды и соединения катиона пентазения,
- А, также, возможно, еще не полученные октаазакубан и пентазолат пентазения. В отличие от большинства элементов в Периодической системе, средняя энергия одинарной связи азот-азот (38 ккал/моль) составляет меньше половины двойной связи этих же атомов (100 ккал/моль) и меньше трети тройной связи (226 ккал/моль). По аналогии, средняя энергия двойной связи азот-азот составляет меньше двух третей от оной у тройной связи, поэтому эти соединения с одинарными и двойными связями разлагаются с образованием свободного азота, содержащего тройную связь, и большого количества энергии, что делает их термодинамически нестабильными и что может быть использовано в их применении в качестве ракетного топлива.
- Ко всему прочему нельзя не замолвить слово о водородной энергетике. У данной отрасли есть несколько преимуществ: во-первых, водород – наиболее распространенный элемент во Вселенной, во-вторых, водород при сгорании дает очень много тепла, и, наконец, единственный продукт его сгорания – вода, которая может быть использована вновь для получения водорода.
- Но основной проблемой водородной энергетики является трудность транспортировки сырья в связи с взрывоопасностью водородно-воздушной смеси. Поэтому необходимы вещества, способные генерировать водород на месте, например, борогидрид натрия (NaBH4), который в ходе каталитического гидролиза образует большое количество водорода. Также подойдет алюмогидрид лития (Li[AlH4]). Дополнительно можно использовать металлы, способные поглощать водород, удерживать его при обычной температуре и отдающие его при небольшом нагревании, такие, как губчатая платина или палладий, выкованный в виде пластинки.
- Настало время поговорить о синтезе новых материалов. Людям постоянно требуются новые материалы с нужными в данный момент характеристиками. Я вижу два основных пути развития этой отрасли: получение новых полимерных материалов и придание им необходимых свойств путем их химической модификации, а также синтез гибридных материалов, получаемых путем соединения в наночастицах органических и неорганических компонентов. Модификация полимеров уже нашла свое применение в синтезе волокон и пленок из целлюлозы путем перевода ее в вязкотекучее состояние посредством реакции Чугаева (реагенты – сероуглерод CS2 и гидроксид натрия NaOH) и гидролизом образующихся ксантогенатов серной кислотой (H2SO4), так как модификация целлюлозы самой по себе затруднена из-за ее нерастворимости в реакционной среде и высокой молекулярной массы (~ 500-600 тыс.).
- Другой пример химической модификации полимеров является синтез поливинилового спирта. Виниловый спирт сам по себе в свободном виде не существует; при попытке его получения он сразу же изомеризуется в ацетальдегид (первая реакция), поэтому полимеризацией мономера получить ПВС невозможно. Но можно получить искомый полимер путем гидролиза поливинилацетата (ПВА) (вторая реакция), при этом образуются ПВС и уксусная кислота.
- Гибридные же материалы интересны прежде всего тем, что они могут обладать повышенной прочностью и, возможно, в будущем могут стать основным материалом для протезов, так как изделия из таких композитов прочны и долговечны за счет неорганической части и биосовместимы за счет органической. Основные методы синтеза этих материалов: 1.темплатный синтез, суть которого – в ускорении и увеличении выхода в реакции синтеза супрамолекулярного комплекса при введении в систему вещества-темплата. Примером такого темплатного синтеза является получение краун-эфира 18-краун-6 (картинка с реакцией). В такой реакции темплат организует вокруг себя низкомолекулярные соединения (в реакции таковыми являются реагенты), увеличивая вероятность образования желаемого комплекса. 2.золь-гель процесс, в ходе которого золь (коллоидный раствор) превращается в гель (коллоидная система, состоящая из жидкой дисперсионной среды, заключенной в сетку из соединенных частиц дисперсной фазы). Самое главное в этом процессе – удаление растворителя из геля, метод которого определяет свойства получаемого материала; 3.гидротермальная обработка, включающая в себя различные методы кристаллизации веществ из высокотемпературных водных растворов при высоких давлениях паров.
- Но чтобы синтезировать полимеры, нужны прежде всего органические вещества. Об их синтезе и поговорим. Чаще всего для синтеза сложных органических соединений, например, лекарственных средств, нужны высокоактивные и селективные катализаторы, поскольку свойства вещества зависят не только от молекулярного строения, но и от пространственного расположения атомов в молекуле (также на свойства вещества может влиять конфигурация молекулы, так, существуют ее различные виды, такие, как цис- и транс-, Z- и Е-, R- и S-, D- и L-конфигурации). Часто для этого используются наночастицы металлов, например, золота или серебра. Исследования показали, что такие частицы можно получить, используя бактерий (Streptomyces glaucus, Spirulina platensis) и растворы золотохлористоводородной кислоты (H[AuCl4]) и нитрата серебра (AgNO3). Также в этих целях перспективно использование палладиевых нанокластеров потому, что они могут иметь уникальные свойства, связанные с их промежуточным положением между объемной фазой и индивидуальными атомными или молекулярными частицами.
- К тому же возможно применение для катализа ферментов, например, предпринимались успешные попытки использования энзимов в качестве катализаторов реакции Дильса-Альдера; так, в 2011 году был открыт фермент SpnF, катализирующий реакцию [4+2]-циклоприсоединения, приводящую к образованию спинозина А у бактерий Saccharopolyspora spinosa, который применяется в качестве инсектицида из-за малой токсичности. С использованием таких ускорителей реакций можно достигнуть новых вершин в синтезе природных соединений, например, белков, и использование их в производстве фармацевтических препаратов.
- Но для того, чтобы изготовить металлические катализаторы, надо сначала добыть металлическую руду, в которой металла может быть немного в процентном содержании (а чаще всего для этих целей применяются переходные металлы, которые в земной коре содержатся в малых количествах). Что же делать? Есть выход: разработка методов более полного извлечения металлов из руд. Так, извлечение золота тиосульфатом аммония может стать альтернативой традиционному цианидному способу, так как тиосульфат относительно безопасен для человека, в отличие от ядовитых цианидов.
- Если воплотить все вышеназванные технологии в жизнь, что, я надеюсь, и случится в будущем, то можно добиться более гармоничного развития химической промышленности и прямо или косвенно связанных с ней отраслей индустрии.