Історичні кроки розвитку хімії

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

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

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

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

навіть 75-80%.

Однак розробка нових хімічних продуктів вимагає великих матеріальних витрат. Наприклад, щоб створити лише кілька нових лікарських препаратів, які можна буде пустити в промислове виробництво, потрібно виготовити не менш 4000 речовин. Для засобів захисту рослин ця цифра може досягати і 10 000. В недавньому минулому в США на кожний запроваджений у виробництво хімічний продукт приходилося 450 теоретичних розробок. З них відбирали 98 варіантів для лабораторних іспитів, а потім 8 для досвідченого виробництва на хімічних установках. Незважаючи на ці колосальні витрати не більш 50% відібраних після промислових іспитів продуктів мали яке-небудь господарське значения. Але значення цих продуктів таке високе, що без повністю перекриває вартість непродуктивної розробки. Користь хімічних виробів для суспільства окупає усі витрати на наукові розробки і впровадження їх у промисловість. Тому немає нічого дивного в тому, що в індустріальних країнах засоби, затрачувані на дослідження в області хімії, у середньому майже вдвічі перевищують асигнування на інші галузі промисловості. Майже 20% світових патентів видаються на відкриття винаходи в області хімії, у чому особливо яскраво відбивається прогресивний характер цієї науки.Без сумніву, що зараз хімія зі своїми продуктами, методами і концепціями стоїть на шляхах, що ведуть у майбутнє. Але її успішне просування вперед тісно зв'язано з іншими дисциплінами, особливо з фізикою, технікою і біологією, і цей взаємозв'язок приводить до виникнення ''прикордонних'' наук в області яких хімія відіграє роль авторитетної «повитухи». Усе більш чітко виявляються в розвитку хімічної промисловості тенденції взаємного проникнення і взаємного впливу окремих складових частин і дисциплін. Розвиток сучасного хімічного виробництва немислимо без розвитку й удосконалювання методів монтажу установок, електроніки, вимірювальної, керуючої і регулюючої техніки, наукового приладобудування, а також без поліпшення сировинної бази й енергетичного господарства. Для всіх цих галузей господарства хімія стає головним споживачем. Одночасно для своїх основних постачальників вона розробляє нові продукти і методи, а також різні допоміжні засоби, що прискорюють прогрес цих галузей.

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

Усе починається із сировини й енергії

Споживання сировини збільшується, запаси зменшуються

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

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

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

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

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

ждународные плину, так що в майбутньому при рівному імпорті сировини ми будемо витрачати на це велику частину національного доходу, чим раніш. Тим більше збереження постійних споживчих цін у країні ми повинні оцінити як величезну заслугу соціалістичного суспільства.Більш 80% світових сировинних ресурсів і палива споживаються в наш час тільки однією третьою частиною населення Землі. Незважаючи на це, потреби в сировину дуже швидко підвищуються не тільки в країнах що розвиваються, але й у промислово розвитих країнах. Щоб забезпечити ці всезростаючі потреби, варто постійно форсувати можливості відкриття нових резервів сировини. Для цього найбільш придатними є наступні шляхи:

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

- перехід до експлуатації більш бідних родовищ;

- утилізація відходів, залишків і використаних матеріалів;

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

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

ХІМІЧНА СИРОВИНА

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

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

Сировину для хімічної промисловості можна поділити на такі трупи:

І. Мінеральна сировина, що видобувається з природних родовищ:

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

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

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

Вода і повітря.

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

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

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

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

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

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

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

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

Застосування хімічної продукції в сільському господарств!

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

ВОДА У ХІМІЧНОМУ ВИРОБНИЦТВІ

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

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

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