Раушан Ашкеева - Прикладная химия

• Название: Прикладная химия
• Автор: Раушан Ашкеева
• Жанр: Образовательная литература

Учебное пособие по дисциплине «Прикладная химия» к семинарским занятиям для студентов и магистрантов химического факультета.

В данном учебном пособии рассматриваются основные направления химизации экономики и сферы быта, практические результаты использования химических законов, закономерностей, принципов, экспериментальных методов, технологических приемов, а также химических продуктов в различных отраслях экономики и социально-бытовой сфере. В каждом разделе приведен теоретический материал, контрольные вопросы для повторения и тесты для самостоятельной работы.

---

Отходы классифицируются по различным признакам:

1. по агрегатному состоянию – твердые – детали реактора на АЭС, инструменты, спец.одежда; жидкие – вода, используемая в технологическом процессе на АЭС и т.п.; газообразные – изотопы криптона, особенно 88Kr.

2. по периоду полураспада – короткоживущие t1/2 < 1года; среднего времени жизни 1год< t1/2 < 100 лет; долгоживущие t1/2 > 100 лет.

3. по удельной активности – низкоактивные менее 0,1 Кu/м3; среднеактивные 0,1-1000 Кu/м3; высокоактивные свыше 1000 Кu/м3.

4. по составу излучения – α – излучатели (испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – ядро атома Не); β – излучатели (испускание атомом электронов); γ – излучатели (выброс электромагнитного излучения); нейтронные излучатели.

До сих пор не решена проблема радиоактивных отходов. Наиболее распространенный способ их уничтожения – захоронение.

Из таких же веществ состоят радиоактивные осадки при ядерном взрыве. Радиоактивные излучения приводят к очень серьезным заболеваниям, так как разрушают молекулы в составе клеток. Облучение тканей организма при ядерном распаде вызывает процессы ионизации и образования радикалов. Мягкие ткани состоят главным образом из воды, и основные реакции протекающие под действием облучения, связаны с ее распадом (радиолизом). В первую очередь молекулы воды дают сольватированные электроны (еводн.), т.е. электроны, окруженные гидратной оболочкой. При этом образуются два радикала: Н2О → Н∙ + ОН∙ + еводн. Продолжительность существования этих продуктов распада около 1мс. В окислительных условиях в живых клетках в дальнейшем образуются новые радикалы. Это ведет к возникновению множества дальнейших реакций, которые отражаются на функциях пораженных тканей организма. Сильная склонность к кровотечению после получения больших доз облучения позволяет сделать вывод о повреждении мембран клеток. Радикалы Н∙ и еводн. реагируют с основаниями нуклеиновых кислот. Частично измененные основания при синтезе нуклеиновых кислот вступают в реакции с новыми партнерами, что приводит к образованию ложных нуклеотидов и возникновению мутаций. При синтезе нуклеиновых кислот кроме нарушения нормального образования пар оснований происходит и разрыв мостиков в структуре ДНК. В то время как разрыв отдельных мостиков может быть скомпенсирован их восстановлением, массовое разрушение мостиков может привести к выпадению целых сегментов в молекуле ДНК. После получения высоких доз облучения, как и после взаимодействия с определенными веществами мутагенного действия, можно с помощью микроскопа наблюдать полностью разрушенные хромосомы.

Таким образом, использование ископаемого и ядерного топлива противоречит принципу устойчивого развития, так как эти ресурсы невозобновляемы, а применение их загрязняет окружающую среду. Движение к устойчивому обществу требует постепенного устранения зависимости от ископаемого и ядерного топлива и перехода к альтернативным источникам энергии.

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

К этой группе источников энергии относятся источники, основанные на применении возобновляемых энергоресурсов (солнечной радиации, энергии ветра, воды).

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. Солнечная энергия – эта кинетическая энергия излучения, образующаяся в результате термоядерных реакций в недрах Солнца. Так как ее запасы практически неистощимы (подсчитано, что Солнце будет «гореть» еще несколько млрд. лет) ее относят к возобновляемым энергоресурсам. Полная мощность излучения Солнца выражается астрономической цифрой – 4∙1014 млрд. кВт. На каждый квадратный метр суши приходится около 0,16 кВт. Для всей же поверхности Земли количество падающей солнечной энергии составляет 105 млрд. кВт, что в 20 тыс. раз превышает производство всех известных видов энергии.

В естественных экосистемах лишь 1 % солнечной энергии поглощается листьями и используется для фотосинтеза. Она улавливается и запасается в виде потенциальной энергии органического вещества. За счет их разложения удовлетворяются энергетические потребности всех остальных компонентов экосистем. Подсчитано, что примерно такого же процента солнечной энергии достаточно для обеспечения всех нужд транспорта, промышленности и нашего быта. Кроме того, независимо от того, будем мы ее использовать или нет, на энергетическом балансе Земли и состоянии биосферы это никак не отразится. Весь вопрос в том, как преобразовывать энергию падающего излучения Солнца в доступную для практического использования электрическую энергию. Также надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение ночью и в пасмурные дни. Сейчас энергия солнечного излучения в основном используется для получения в основном низкопотенциальной тепловой энергии (до 1000С) для нужд коммунального хозяйства, в сельском хозяйстве и частично в промышленности. Это различного рода водо- и воздухонагреватели, теплицы, сушилки, опреснители воды и т.д. Световое излучение можно улавливать и использовать непосредственно, когда оно достигает Земли. Это называется прямым использованием солнечной энергии. Существует несколько таких методов, доступных в настоящее время.

1. Фотогальванические элементы (ФГ) или фотоэлектрические преобразователи. Поток фотонов от Солнца попадает на верхнюю часть двухслойного полупроводника (например, кремния). Фотоны возбуждают электроны, и они мигрируют к поверхности раздела между кремнием различных типов. При этом создается избыток электронов на верхней поверхности раздела, поэтому здесь образуется разность потенциалов. Такая разность потенциалов составляет около 0,8В. Для того чтобы получить больший потенциал, следует соединить последовательно большее число кремниевых элементов. При увеличении площади кремния элементов можно получить ток желаемой величины. В этом случае используются полупроводниковые свойства кремния Si (или германия Ge). Полупроводник – вещество, электрическое сопротивление которого имеет промежуточное значение между значениями электрических изоляторов (диэлектриков) и проводников. Полупроводники n-типа (электронные) имеют в кристаллической решетке избыточные электроны, а следовательно, обладают эффективным отрицательным зарядом. Полупроводники р-типа (дырочные) имеют в кристаллической решетке «электронные дырки», то есть эффективные положительные заряды. Электроны, текущие через кремниевую пластинку р-типа, останавливаются на стыке (переходе) между двумя пластинками. Этот стык называется n-р-переходом. Электроны, идущие в обратном направлении, проходят через переход, чтобы заполнить «дырки» в слое р-типа.

При осуществлении фотогальванического метода преобразования энергии возникают трудности экономического характера. К таким трудностям относится получение кремния нужного качества. SiО2 (кремнезем), является одним из наиболее распространенных веществ на Земле. Но для получения химически чистого кремния, необходимо осуществить восстановительную стадию, чтобы выделить материал из имеющегося в изобилии кремнезема. Трудности заключаются в следующем:

• для ФГЭ нужно получить материал исключительно высокой чистоты. Электроны, возбужденные фотонами, теряют энергию при столкновении с атомами примесей; при этом они теряют высокую энергию, которой обладали в зоне проводимости, и, попадая снова в валентную зону вещества (если это полупроводник) с меньшей энергией, больше не участвуют в диффузии. В результате они не достигают поверхности раздела между двумя типами кремния и не участвуют в создании разности потенциалов.

• кремний нужно получить в виде монокристалла или в виде материала с высокой степенью монокристалличности. Так как большинство материалов являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа индивидуальных кристалликов, то возбужденные электроны будут перемещаться от одного кристаллика к другому, дезактивируясь при столкновении с гранями кристалликов. Из-за этого лишь незначительное число электронов достигнет поверхности раздела, и примет участие в создании разности потенциала. Достаточно высоким напряжением обладают только чистые монокристаллы кремния. Поэтому этот метод использования энергии Солнца является весьма дорогостоящим. Но в противоположность атомной энергетике преобразователь солнечной энергии является целиком и полностью «чистым».

2. Метод зеркального гелиоконцентрата более простой, чем ФГ метод. Установка содержит ряд зеркал, образующих следящую систему, которая поворачивается вслед за Солнцем. Целью этого движения является слежение за Солнцем в течение дня, при этом фокус зеркал, установленных в строго определенном порядке, собирает всю солнечную энергию. Площадка, на которой находится зеркало, направленное в данный момент на Солнце, является частью кипятильника, установленного на башне на несколько десятков метров выше ряда зеркал. Кипятильник заполняется рабочей жидкостью, например водой или жидкостью с низкой температурой кипения типа аммиака. Кипятильник работает как обычная тепловая машина.