Концепція єдності структурних перетворень речовини і хімічна картина світу

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ
Білгородський ЮРИДИЧНИЙ ІНСТИТУТ
Кафедра гуманітарних і соціально-економічних дисциплін
Дисципліна: "Концепції сучасного природознавства"
РЕФЕРАТ
за темою №:
"Концепція єдності структурних перетворень речовини і
хімічна картина світу "
Підготував:
професор кафедри ГіСЕД,
к.ф.н., доц.
Номерків А.Л.
Перевірив:
Студент 534 групи
Малявкин Г.М.
Білгород - 2008

План Реферати
Сторінки
Введення
4
1. Хімічна "технологія" та хімічна світорозуміння (алхімія) цивілізації в її першооснову
4
2. Від алхімії - до наукової хімії: шлях дійсної науки про перетворення речовини
10
3. Революція в хімії та атомно-молекулярне вчення як концептуальне основа сучасної хімії
12
4. Екологічні проблеми хімічної компоненти сучасної цивілізації
16
Висновок
28

Введення
З незапам'ятних часів людина, стикаючись з різними явищами природи, накопичуючи відомості про них і про оточуючих його предмети, усе частіше використовував їх собі на благо. Людина, наприклад, зауважив, що під дією вогню одні речовини зникають, а інші змінюють свої властивості. Скажімо, обпалена сира глина раптом набуває міцність. Людина застосував це у своїй практиці, і народилося гончарна справа. Або, приміром, з руд навчилися виплавляти метали, а, сплавляючи ці метали, - отримувати різні сплави: так з'явилася металургія.
Використовуючи свої спостереження і знання, людина навчилася створювати, а, створюючи, - пізнавав. Іншими словами, науки народжувалися і розвивалися паралельно з ремеслами і виробництвами.
Перетворення речовин під дією вогню були першими хімічними реакціями, здійсненими людиною. Так, вогнище, за образним висловом, став свого роду перша хімічної "лабораторією" людства.

1. Хімічна "технологія" та хімічна світорозуміння (алхімія) цивілізації в її першооснову
Відомо, що вже за кілька тисяч років до нашої ери в Стародавньому Єгипті люди навчилися виплавляти і використовувати для практичних цілей золото, мідь, срібло, олово, свинець і ртуть. У країні священного Нілу розвивалося виробництво кераміки та глазурей, скла та фаянсу. Використовували древні єгиптяни і різні фарби: мінеральні (охра, сурик, білила) і органічні (індиго, пурпур, алізарин). Звідси, можна вважати слідом за знаменитим французьким хіміком Мю Бертло, що і сама назва "хімія" походить від староєгипетського слова "хеми": так називали людей, що населяють так звані в Єгипті "чорні землі", де були саме розвинені зазначені вище ремесла.
Проте грецький алхімік Зосима (III-IV ст. Н.е.) пояснював походження слова "хімія" інакше: він розумів під хімією мистецтво робити срібло і золото (в цьому сенсі хімія є мистецтво плавки металів). Відомі на цей рахунок і інші тлумачення цього поняття. Тому слід зазначити у зазначеній зв'язку, що до цих пір у вчених немає єдиної думки на цей рахунок.
Хімічні ремесла були розвинені в 4-2 тисячолітті до н. е.. не тільки у єгиптян, але і в країнах Межиріччя на Близькому Сході (долини річок Тигру і Євфрату). У ті часи народи, що населяли Межиріччя, знали метали (зі свинцю, наприклад, відливали статуетки, культові фігурки), широко використовували мінеральні та органічні барвники, вміли виготовляти глазурі, фаянс і т.д.
Вчені-філософи Стародавньої Греції (VII-V ст. До н. Е..) Намагалися пояснити, яким чином здійснюються різні перетворення, з чого і як відбулися всі речовини. Так виникло вчення про початки, стихій (від steheia - основа), або елементах (від латинського elementum - першооснова, першооснова), як їх стали називати пізніше.
Фалес Мілетський вважав, що світ - це єдине ціле, а все, що відбувається в природі, є результат ущільнення або розрядження єдиної первоматерии, єдиного першооснови - води. Анаксимен Мілетський визнавав первинною матерією повітря, при охолодженні і згущенні якого утворюється вода, а з неї потім при подальшому ущільненні і охолодженні виникає земля. Філософ Ксенофан вчив, що первинними початками є вода і земля: матерія не знищується і не виникає, світ існує вічно.
У 544-483 рр.. до н. е.. в місті Ефесі жив знаменитий філософ Геракліт, який вважав, що всі "тіл" природи притаманне вічний рух. Природно, що первоматерии при цьому він визнавав саме рухоме і мінливе початок - вогонь. Світ, на думку Геракліта, не створено жодного богами, ні людьми, "був, є і буде вічно живим вогнем", який закономірно запалюється і так само закономірно згасає.
Інший давньогрецький філософ, Емпедокл, спостерігаючи горіння дерева, відзначав, що спочатку утворюється дим, повітря, потім полум'я (вогонь) і, врешті-решт, залишається зола (земля). Якщо близько полум'я буде знаходиться холодна поверхня, то на ній осідають пари води. Таким чином, горіння є розкладання палаючого речовини на чотири елементи: повітря, вогонь, воду і землю. На підставі такого висновку Емпедокл перший створив вчення про чотири засадах ("коріння") природи: "Спочатку послухай, що чотири кореня всього існуючого - Вогонь, і Вода, і Земля, і безмежна височінь Ефіру ... З них все, що було, і все те, що буде ". Ці "початку" вічні і незмінні.
Анаксагор з міста Клазомен в Малій Азії першим висловив припущення, що всі речовини складаються з незліченної кількості первинних почав матерії - "насіння речей". Матерії властиві протилежні якості: світло і темрява, теплота і холод, сухість і вологість. Тільки сукупність цих якостей, узята в різних співвідношеннях, обумовлює утворення таких почав, як земля, і ефір.
Тут необхідно зазначити, що тоді ж, поряд з вченням про "стихії", розвивалися й інші уявлення про будову матерії - атомістичні.
Найяскравішою постаттю древньої Греції і всього античного світу був Арістотель (384-322 рр.. До н.е.). Він як і Епмпедокл, визнавав, що в світі існують чотири основних "початку" - "стихії" (вони ж "елементи", іноді "принципи" чи "первинна матерія"). Під стихіями Арістотель розумів "граничні частини", на які розкладаються всі тіла. Ці частини не діляться далі і відрізняються один від одного "по виду". До стихіям він відносив воду, землю, вогонь і повітря; кожна зі стихій балу носієм двох властивостей з чотирьох - вологості і сухості, тепла та холоду: повітря тепле і вологе, вогонь сухий і теплий, земля суха і холодна, вода холодна і волога.
Крім цих чотирьох елементів Аристотель ввів і п `ятий, який назвав" сутність ". У середні століття алхіміки стали іменувати цей елемент "квінтесенцією" (від латинського quinta essentia - п'ята сутність), "філософським каменем", "еліксиром життя", "великим магістер", "червоної тинктури", "універсалом", "медикаментом". Таємничому п'ятого елементу приписували надприродні властивості.
Навчання Аристотеля про взаємне перетворення елементів і про п'яту суті лягло згодом в основу уявлень про так звану "трансмутації", в тому числі і про отримання золота із неблагородних металів. І першими стали вводити вчення Аристотеля про п'яту сутності так звані "алхіміки".
Однак ідеї трансмутації зовсім не пов'язані з Арістотелем, як "першоджерелом" цієї ідеології, а йдуть у більш давні часи.
У 321г. до н.е. в дельті Нілу було закладено нове місто - Олександрія, названий так на честь завойовника Олександра Македонського. Маючи вигідне географічне положення, місто стало одним з найбільших торговельних і ремісничих центрів. Там була заснована перша в історії академія - спеціальний заклад, де займалися різними дослідженнями і навчали відомим на той час наукам.
До завоювання Єгипту іноземцями єгипетські жерці, знали багато хімічних операції (отримання сплавів, змішення, імітація дорогоцінних металів, виділення фарб і т.д.), тримали їх у великій таємниці й передавали тільки обраним учням, а самі операції проводили в храмах, супроводжуючи їх пишними містичними церемоніями. Після падіння цієї країни багато таємниць жерців стали відомі давньогрецьким вченим, які вважали, що одержувані жерцями імітації дорогоцінних металів і є справжні "перетворення" одних речовин в інші, повністю відповідають законам природи. Словом, в елліністичному Єгипті відбулося з'єднання натурфілософських уявлень античних філософів і традиційної обрядовості жерців - те, що згодом і було названо арабами "алхімією".
Ця назва вищевказаних "перетворень" виникло в силу певних політичних обставин. Близько 640 г . н. е.. Єгипет захопили араби, а вже на початку VIII ст. їх влада була встановлена ​​на величезній території - від Гібралтару до Індії. Науково-практичні знання та культура, засвоєні арабами в підкорених країнах (і особливо в Єгипті), до XII ст. досягли Європи. У цьому велику роль зіграла торгівля між державами арабського Сходу та європейськими країнами. Хімічні знання, що прийшли до Європи від арабів, і стали називати арабським словом «алхімія». Що ж це були за знання?
Слід зазначити, що зачатки саме алхімічних поглядів зустрічалися, взагалі кажучи, у багатьох народів. У I В.М. е.. давньоримський лікар і натураліст Діоскорид написав першу хімічну енциклопедію, в якій були викладені способи приготування вапняної води, мідного купоросу, білила та деяких інших речовин. У Китаї алхімік Вей Паяння (II ст.) Описує рецепт отримання "пігулок безсмертя". До Хун (281 - 361) також дає рецепти виготовлення "пігулок довголіття''і штучного золота. Пошуки таких рецептів були поширені і в елліністичному Єгипті. Від тих часів збереглися два папірусу, що відносяться до III століття, -" Лейденський папірус X "і" Стокгольмський папірус ". У першому міститься близько ста рецептів імітації золота, а в другому, крім того, описується підробка перлів та фарбування пурпуром.
Однак засновником власне алхімії вважають грецького алхіміка Зосиму - автора багатьох наукових творів, у тому числі і алхімічних ("імуть", де йдеться про походження алхімії; "Про хорошій якості і складі вод", де описується отримання цілющої води).
Серед арабських алхіміків одним з найвизначніших був принц Каліда ібн Казід (бл. 660-704), який провів більшу частину життя в Єгипті. Він наказав перевести на арабську мову всі відомі алхімічні твори.
Але справжнім «царем науки» араби називали великого вченого Джабіра ібн Гайя (бл. 721-815), відомого в Європі під ім'ям Гебер. Знайомий з навчаннями древніх, він став послідовником Аристотеля, погляди якого на елементи-якості були переосмислені арабами.
Гайя вважав, що метали складаються з двох основних частин (елементів): сірки, що є носієм горючості і мінливості, і ртуті - "душі" металів, носія металевості (блиску, твердості, плавкості), а основними хімічними процесами є горіння та плавлення. Найблагороднішими металами є золото і срібло, до складу яких входять сірка і ртуть у наічістейшім вигляді і в самій оптимальної пропорції. Різноманітність останніх залежить від кількісного співвідношення сірки і ртуті і від домішок. Але в природі цей процес з'єднання йде дуже повільно, і, щоб прискорити його, треба додати "медикамент" (особливий препарат), тоді перетворення займе близько 40 днів, якщо ж використовувати "еліксир", то весь процес отримання золота займе всього 1 година!
Вивчав Гайя та властивості, а також способи приготування багатьох солей: купоросу, квасцов, селітри та ін; знав отримання кислот: азотної, сірчаної, оцтової, при проведенні дослідів вдавався до перегонки, випалу, сублімації, кристалізації. Він вважав, що практика і досліди для алхіміків мають першорядну важливість, без них успіх неможливий. Праці Гайя ("Книга сімдесяти", "Книга отрут", "Сума досконалостей", "Книга про печі") вивчалися протягом багатьох століть.
Учнем прославленого Гебер вважав себе найбільший арабський алхімік Абу Бакр Мухаммед ібн Закарійа ар-Разі (865-925), автор "Книги таємниць" і "Книги таємниці таємниць". Він перший провів класифікацію відомих у той час речовин, розділивши їх на три класи: землисті (мінеральні), рослинні і тваринні.
Ар-Разі визнавав трансмутацію неблагородних металів у благородні, визнавав елементи металів - сірку і ртуть, але, не обмежуючись цим, ввів додатковий третій - елемент "соляної природи", що є носієм твердості і розчинності. Це вчення про трьох елементах (сірка, ртуть, сіль) широко поширилося серед європейських алхіміків.
Сприйнявши уявлення античних атомістів, ар-Разі застосував їх до вчення Арістотеля, вважаючи, що речовини складаються з неподільних елементів-частинок (атомів, по-сучасному) і порожнечу; самі елементи вічні, неподільні і мають певні розмір. Властивості ж речовин залежать від розмірів атомів і відстаней між ними (пустот). Так, земля і вода складаються з атомів великих розмірів, а порожнечі в них менше, і тому вони рухаються вниз; вогонь і повітря, навпаки, рухаються вгору, так як їх атоми менше, а порожнечі в них більше.
Як і Гайя, ар-Разі вважав, що метою алхімії має бути пізнання властивостей речовин, освоєння всіляких операцій над ними, виготовлення різних апаратів для здійснення цих операцій. У цей практичний, а не абстрактно-містичної спрямованості структурних перетворень речовини, як раз і висловилася специфіка навчання арабських алхіміків.
Ідея перетворення неблагородних металів у благородні знайшла багато прихильників і в Західній Європі. За товстими стінами, в сирих підвалах, у відокремлених келіях європейські алхіміки намагаються "прискорити" процес "вдосконалення" металів. Неблагородні метали розплавляють, змішують один з одним, фарбують, закопують в землю, але ... золото так і не виходить!
Все більше і більше формується думка, що процес отримання золота "лабораторним" шляхом тобто швидше за все процес надприродний? Над металами починають вимовляти заклинання, а на підлозі на підлозі і на стінах "лабораторій" зображують магічні формули Але і ці маніпуляції не привели до позитивного результату!
Але може бути, вся суть полягає саме в п'ятому елементі - "квінт-есенції", що отримав безліч різних піднесених і таємничих імен? Тільки він один міг би перетворити будь-який метал на золото, дати людині вічне життя і молодість. І тепер зусилля алхіміків зосереджуються на отриманні філософського каменю. Були створені сотні зашифрованих рецептів, більшість з яких до цих пір не вдалося розгадати, не кажучи вже про їх експериментальної перевірки.
Йшли роки ... Алхіміки продовжували свої пошуки. І одним з найбільших алхіміків Середньовіччя був Альберт фон Больштедт (1193-1280). Володіючи вражаючою працездатністю, жагою знань і будучи прекрасним оратором, він став знаменитим серед своїх сучасників, які називали його "універсальним лікарем", Альбертом Великим. Відмовившись у 1265г. від єпископства, фон Больштедт пішов у монастир і присвятив решту життя життя науці. Їм було написано величезну кількість трактатів по різних галузях знань, у тому числі і по алхімії - "П'ять книг про металах і мінералах", "Книга про алхімію".
Альберт Великий вважав, що трансмутація металів залежить від їх виду і щільності. Зміна ж властивостей металів відбувається під дією миш'яку (забарвлює метали в жовтий колір) і води (стискаючись і ущільнюючись, вона збільшує щільність металів). Описуючи проведення алхімічних операцій, він наводить ряд правил, яких треба дотримуватися в роботі: зберігати мовчання, ховатися від очей людських, дотримуватися часу і т.д.
У XVI ст. особливою популярністю користувалися твори Василя Валентина ("могутній цар") - "Про таємну філософії", "Про великого камені стародавніх мудреців", "Тріумфальна колісниця антимонія". Правда, всі спроби встановити справжнє ім'я цього автора так і не вдалися: мабуть, під цим псевдонімом писав невідомий алхімік і, можливо, не один.
Визнаючи трансмутацію металів і почала алхіміків, Василь Валентин особливо підкреслював, що алхімічні елементи металів не мають нічого спільного з реальними елементами тієї ж назви: "Все, що писали про насіння металів, згодні в тому, що сірка представляє чоловіче насіння металів, а ртуть - жіноче насіння, але це потрібно розуміти розумом і не приймати за насіння металів звичайну сірку і звичайну ртуть, тому що звичайна ртуть, будучи сама металом, не може бути насінням металів ". Також не можуть бути "насінням" металів звичайна сірка і сіль. Остання, на його думку, характеризує здатність металів розчинятися в кислотах.
Тут треба підкреслити, що в алхімічних вишукуваннях Василя Валентина вперше в історії розвитку алхімічних уявлень виявляється необхідність значної практичної спрямованості цих знань крім "стратегічних" цілей алхімії. Так, він першим згадує про соляній кислоті ("соляному спирті"), пропонує спосіб отримання її з повареної солі і залізного купоросу, описує її дію на метали і деякі оксиди. Сурмі і її сполук присвячено твір "Тріумфальна колісниця антимонія".
Разом з тим слід зазначити, що далеко не всі середньовічні вчені приймали основні теоретичні міркування та положення алхіміків. І одним з таких учених був Авіценна. Цим латинським іменем називали знаменитого арабського філософа і лікаря абу Алі ал-Хусейна ібн Сину (980-1037), таджика за національністю, який народився неподалік від Бухари. Він створив близько 300 праць, і деякі з них ("Медичний канон", "Книга зцілення", "Книга знань") користуються заслуженою популярністю і в наш час. Їм описана майже тисяча різних речовин, серед яких були і метали. Авіценна зовсім не заперечував важностьсери і ртуті для хімічних перетворень, але заперечував можливість взаємного перетворення металів одного в інший, оскільки вважав, що для цього немає реальних шляхів.
Не вірив у трансмутацію і найбільший італійський вчений і художник Леонардо да Вінчі (1452-1519), який поставив собі за мету "осягнути походження численних створінь природи". Він спирався на експеримент, який він вважав посередником "між майстерною природою і родом людським" і який "має виробляти багато разів, щоб яке-небудь випадкове обставина не вплинуло б на його результати".
Леонардо да Вінчі, звичайно, визнавав практичну алхімію, яка могла приносити користь, але різко виступав проти тих алхіміків, які ставили за мету отримання золота. Леонардо вважав, що людина не може створювати прості речовини, а тим більше перетворювати їх одне в інше, та й ртуть не може бути загальним "насінням" металів, оскільки "природа різноманітить насіння відповідно відмінності речей".
Але епоха алхімії не пройшла дарма. У пошуках умов для здійснення таємничої трансмутації алхіміки розробили такі важливі методи очищення речовин, як фільтрація, сублімація, дистиляція, кристалізація. Для проведення експериментів вони створили спеціальні апарати водяну баню, перегінний куб, реторти, печі для нагрівання колб. Алхіміками були відкриті сірчана, соляна і азотна кислоти, багато солі, етиловий спирт, вивчені багато реакцій (взаємодія металів з сіркою, випал, окислення і т.д.).
І тим не менш, щоб перетворити алхімічні вчення в положення дійсно наукової хімії, необхідно було "очистити" їх від містичних нашарувань, поставити на справжню експериментальну основу, детально дослідити склад речовин. Початок цього складного і тривалого процесу поклали так звані "іатрохімікі" (від грец. Iatros - "лікар") і представники так званої "технічної хімії".
Розвиток іатрохіміі, металургії, фарбувального справи, виготовлення глазурі і т.д., удосконалення хімічної апаратури - все це сприяло тому, що експеримент поступово ставав основним критерієм істинності теоретичних положень. Практика ж, у свою чергу, не могла розвиватися без теоретичних уявлень, які повинні були не тільки пояснити, а й передбачати властивості речовин і умови проведення хімічних процесів. Вчені відмовилися від традиційних "почав" алхіміків і звернулися до матеріалістичних уявлень древніх про будову матерії.

2. Від алхімії - до наукової хімії: шлях дійсної науки
про перетвореннях речовини
Нового розуміння предмета хімічного пізнання сприяло відродження античного атомізму. Тут важливу роль відіграли праці французького мислителя П. Гассенді. Він не тільки воскресив атомістичну теорію, але, за словами Дж. Бернал, перетворив її "на вчення, куди увійшло все, щось нове у фізиці, що було знайдено в епоху Відродження". Для виявлення частинок, не видимих ​​простим оком, Гассенді використовував енгіоскоп (мікроскоп), і з цього він зробив висновок, що якщо можна виявити настільки дрібні частинки, то можуть існувати й зовсім дрібні, які вдасться побачити згодом.
Гассенді вважав, що Бог створив певне число атомів, що відрізняються один від одного формою, величиною і вагою і все в світі складається з них. Як з цегли, колод і дощок можна побудувати величезну кількість різноманітних будівель, так і з кількох десятків видів атомів природа створює безліч тел. З'єднуючись, атоми дають більші освіти - "молекули". Останні в свою чергу, об'єднуючись один з одним, стають більшими і "доступними для відчуття". Тим самим Гассенді першим ввів у хімію поняття "молекула" (від лат. Moles і cula - "маса" в зменшувально значенні)
І разом з тим П. Гассенді поділяв омани науки свого часу. Так, він визнавав божественне походження атомів, визнавав, що існують особливі атоми запаху, смаку, тепла і холоду.
Розвитку корпускулярної теорії сприяв і великий англійський учений Ісаак Ньютон (1643-1727), займався також і питаннями хімії. Він мав добре обладнану хімічну лабораторію, серед його праць є, наприклад, твір "Про природу кислот" (1710). Ньютон вважав, що корпускули створені Богом, що вони неподільні, тверді й незнищенні. З'єднання корпускул відбувається за рахунок тяжіння, а не за рахунок гачків, щербин і т.д. Таке тяжіння і визначає "хімічна дія", а розпад існуючих речовин на первинні частинки і утворення з них інших поєднань зумовлюють появи нових речовин.
Корпускулярне вчення знайшло своє завершення також у працях знаменитого англійського вченого Роберта Бойля. Йому від батька дісталося у спадок два маєтки, в одному з яких він і оселився. Там Бойль зібрав багату бібліотеку і обладнав прекрасну лабораторію, де працював зі своїми помічниками. Молодий учений розробив основи аналізу (від analisis - розкладання) "мокрим шляхом", тобто аналіз у розчинах. Він ввів індикатори (настій лакмусу, квітів фіалок, а також лакмусові папірці) для розпізнання кислот і лугів, соляну кислоту і її солі за допомогою нітрату срібла, солі сірчаної кислоти - за допомогою вапна і т.д. Ці прийоми використовуються в хімії і зараз.
Під впливом робіт Торрічеллі з вивчення атмосферного тиску Бойль зайнявся дослідженням властивостей повітря. Він брав трубки U-подібної форми з різною довжиною колін. Коротке було запаяні, а довге відкрито. Заливаючи останнім ртуть, Бойль "замикав" короткий коліно. Якщо змінювати тепер кількість ртуті в довгому коліні, то буде змінюватися і об'єм повітря в короткому. Так була встановлена ​​закономірність: обсяг газу обернено пропорційний його тиску (1662). Пізніше цю закономірність спостерігав французький вчений Е. Маріотт. Зараз цей газовий закон іменується законом Бойля-Маріотта.
А за рік до відкриття газового закону Бойль опублікував книгу "Хімік-скептик", в якій виклав свої погляди і вважав хімію самостійною наукою, а не підмогою алхімії та медицини. Всі тіла, пише він, складаються з часток, що рухаються, що володіють різною величиною і формою, а елементами, підкреслює Бойль, не можуть бути ні "початку" Аристотеля, ні "початку" алхіміків. Такими первоосновами можуть бути тільки "певні, початкові і прості, цілком незмішані тіла, які не складені один з одного, але являють собою ті складові частини, з яких складені всі так звані змішані тіла і які вони, врешті-решт, можуть бути розкладені" .
Таким чином, елементи, по Бойлю, це речовини, які не можна розкласти (тобто прості речовини), вони складаються з однорідних корпускул. Такі золото, срібло, олово, свинець.
Інші, наприклад кіновар, що розкладається на ртуть і сірку, він відносив до складних речовин. У свою чергу, сірку і ртуть, які не вдалося розкласти, слід було віднести до елементів. А скільки в природі елементів, то на цей важкий питання відповісти міг дати тільки досвід. Не можна так само стверджувати, вважав Бойль, що відомі на той час прості речовини обов'язково повинні бути елементами - можливо, з часом, і вони будуть розкладені (що й відбулося з водою і "землями" - оксидами лужноземельних металів).
Вченому вдалося в корпускулярної теорії будови речовин об'єднати два підходи - вчення про елементи і атомістичні уявлення. Саме "Бойль робить з хімії науку", - писав у цьому зв'язку Ф. Енгельс.

3. Революція в хімії та атомно-молекулярне вчення
як концептуальне основа сучасної хімії
Як історія людської цивілізації почалася з "приручення" людиною вогню, так і дійсна історія хімії почалася з розгляду проблеми горіння - центральна проблема хімії XVIII ст. Питання стало таким: що трапляється з горючими речовинами, коли вони згоряють повітрі?
Для пояснення процесів горіння І. Бехером і його учнем Г.Е. Шталем була запропонована так звана теорія флогістону. Під флогістон тут розумілася деяка невагома субстанція, яку містять всі горючі тіла і яку вони втрачають при горінні. Тіла, що містять велику кількість флогістону, горять добре, тіла ж, які не горять, є дефлогістрованим. Ця теорія дозволяла пояснити багато хімічні процеси і передбачати нові хімічні явища. Протягом майже всього XVIII ст. вона міцно утримувала свої позиції, поки Лавуазьє в кінці XVIII ст. не розробив кисневу теорію горіння.
Розробляючи свою теорію горіння, Лавуазьє відзначав, що при горінні "постійно спостерігається чотири явища": виділяються світло й тепло; горіння здійснюється тільки в "чистому повітрі" (кисні); всі речовини збільшуються настільки, наскільки зменшується вага повітря; при горінні неметалів утворюються кислоти (кислотні оксиди), а при випалюванні металів - металеві вапна (оксиди металів).
Лавуазьє використовував досвід Шеєле і Прістлі, завдяки чому йому вдалося ясно і доступно пояснити процес горіння. Було доведено, що "флогістон Шталя - лише уявне речовина", а "явища горіння і випалу пояснюються набагато простіше і легше без флогістону, ніж з його допомогою".
Проводячи різні досліди з азотною, сірчаною і фосфорної кислоти, Лавуазьє прийшов до висновку, що "кислоти відрізняються одна від одної лише підставою, з'єднаний з повітрям". Іншими словами, "чисте повітря" обумовлює кислі властивості цих речовин і тому вчений назвав його киснем (oksigenium від orsus - кислий і gennao - народжую). Після того як було встановлено склад води, Лавуазьє остаточно переконався у виключній ролі кисню.
У "Початковому курсі хімії" (1789) Лавуазьє, спираючись на нові теорії та застосовуючи розроблену ним (спільно з іншими вченими) номенклатуру, систематизував накопичені на той час хімічні знання і виклав свою кисневу теорію горіння.
Спочатку Лавуазьє дає опис різних агрегатних станів речовин. З його точки зору, в твердій речовині молекули утримуються одна біля одної силами тяжіння, які за величиною більше сил відштовхування. У рідині молекули знаходяться на такій відстані один від одного, коли сили тяжіння і відштовхування рівні, а атмосферний тиск перешкоджає перетворенню рідини в газ. У газоподібному ж стані переважають сили відштовхування.
Лавуазьє дає визначення елементу і наводить таблицю та класифікацію простих речовин. Він зазначає, що уявлення про три або чотири елементи, з яких, нібито, складаються всі тіла природи, що перейшло до нас від грецьких філософів, є невірним. Сам же Лавуазьє під елементами розумів речовини, які не розкладаються "ніяким чином". Всі прості речовини були їм розділені на чотири групи: 1) речовини, що відносяться до трьох царствах природи (мінерали, рослини, тварини) - світло, теплорода, кисень, азот, водень, 2) неметалеві речовини, що окислюються і дають кислоти, - сірка, фосфор, вуглець, радикали муріевий (хлор), плавиковий (фтор), і борний (бор), 3) металеві речовини, що окислюються і дають кислоти, - сурма, срібло, миш'як, вісмут, кобальт, мідь, залізо, марганець, ртуть, молібден, нікель, золото, платина, свинець, вольфрам, цинк, 4) солеобразующіе землисті речовини: вапно, магнезія, барит, глинозем, кремнезем.
Таким чином, Лавуазьє здійснив наукову революцію в хімії: він перетворив хімію із сукупності безлічі не пов'язаних один з одним рецептів, що підлягали вивченню один за одним, у загальну теорію, грунтуючись на якій можна було не тільки пояснити всі відомі явища, але й передбачати нові.
Принциповий крок у розвитку наукової хімії був зроблений Дж.Дальтоном, ткачем і шкільним вчителем з Манчестера. Вже перші наукові повідомлення молодого вчителя привернули увагу деяких фізиків і хіміків, серед яких у Дальтона з'явилися однодумці.
У 1793 р . вийшла в світ наукова робота Дальтона "Метеорологічні спостереження і досліди". Аналізуючи результати своїх метеорологічних спостережень, Дальтон прийшов до висновку, що причиною випаровування води є теплота, а сам процес випаровування є перехід частинок води з рідкого стану в газоподібний. Це був перший крок на шляху до створення системи хімічної атомістики.
У 1801г. Дальтон встановив закон парціальних тисків газів: тиск суміші газів, які не взаємодіють один з одним, дорівнює сумі їх парціальних тисків (Перший закон Дальтона).
Два роки по тому, продовжуючи досліди, англійський учений виявив, що розчинність в рідині кожного газу з суміші при постійній температурі прямо пропорційна його парціальному тиску над рідиною і не залежить від загального тиску суміші і від наявності в суміші інших газів. Кожний газ розчиняється, таким чином, як якщо б він один займав даний обсяг (Другий закон Дальтона).
Намагаючись визначити "число простих елементарних частинок", утворюють складну частку, Дальтон міркував, що якщо при взаємодії двох речовин виходить одне з'єднання, то воно бінарно; якщо ж утворюються два з'єднання, то одне бінарне, а інше потрійне, тобто складаються відповідно з двох і з трьох атомів, і т.д.
Застосовуючи ці правила, Дальтон приходить до висновку, що вода - бінарна сполука водню і кисню, вага яких відносяться приблизно як 1:7. Дальтон вважав, що молекула води складається з одного атома водню і одного атома кисню, тобто формула її АЛЕ. За даними ж Гей-Люссака і А. Гумбольдта (1805), вода містить 12,6% водню і 87,4% кисню, а тому що Дальтон прийняв атомна вага водню за одиницю, атомна вага кисню він визначив рівним приблизно семи.
У 1808р. Дальтон постулював закон простих кратних відносин:
Якщо два будь-яких елементи утворюють один з одним кілька хімічних сполук, то кількості одного з елементів, що припадають у цих з'єднаннях на однакову кількість іншого елемента, перебувають між собою в простих кратних відносинах, тобто ставляться один до одного як невеликі цілі числа.
Заняття метеорологією призвели Дальтона до роздумів про будову атмосфери, про те. чому вона являє собою "масу явно однорідну". Вивчаючи фізичні властивості газів, Дальтон прийняв, що вони складаються з атомів. Для пояснення ж дифузії газів він припустив, що їх атоми мають різні розміри.
Вперше про атомістичну теорію Дальтон говорить в лекції "Про абсорбції газів водою та іншими рідинами", яку він прочитав 20 жовтня 1803г. в літературно-філософському суспільстві Манчестера.
Дальтон суворо розмежовував поняття "атом" і "молекула", хоча останню і назвав "складним", або "складовим атомом", але цим він тільки підкреслював, що ці частки є межею хімічної подільності відповідних речовин.
Якими ж властивостями володіють атоми?
По-перше, вони неподільні і незмінні. По-друге, атоми одного і того ж речовини абсолютно однакові за формою, вагою та іншими властивостями. По-третє, різні атоми з'єднуються між собою в різних відносинах. По-четверте, атоми різних речовин мають, неоднаковий атомний вагу.
У 1804г. відбулася зустріч Дальтона з відомим англійським хіміком і істориком хімії Т. Томсоном. Той був захоплений теорією Дальтона і в 1807г. виклав її в третьому виданні своєї популярної книги "Нова система хімії". Завдяки цьому атомістична теорія побачила світ раніше, ніж вона була опублікована самим автором.
Джон Дальтон є творцем наукової хімічної атомістики. Він вперше, використовуючи подання про атоми, пояснив складу різних хімічних речовин і визначив їх відносні та молекулярні ваги.
І тим не менше на початку XIX ст. атомно-молекулярне вчення в хімії насилу пробивало собі дорогу. Знадобилося ще півстоліття для його остаточної перемоги. На цьому шляху було сформульовано ряд кількісних законів (закон постійних відносин Пруста, закон об'ємних відносин Гей-Люссака, закон Авогадро, згідно з яким при однакових умовах однакові обсяги всіх газів містять одне і те ж число молекул), які отримували пояснення з позицій атомно-молекулярних уявлень. Для експериментального обгрунтування атомістики та її впровадження в хімію багато зусиль доклав Й.Б. Берцеліус.
Остаточну ж перемогу атомно-молекулярне вчення (і спираються на нього способи визначення атомних і молекулярних ваг) здобуло лише на 1-му Міжнародному конгресі хіміків (1860).
У 50-70-і рр.. XIX ст. на основі вчення про валентності і хімічного зв'язку була розроблена теорія хімічної будови (А. М. Бутлеров, 1861), яка зумовила величезний успіх органічного синтезу і виникнення нових галузей хім. промисловості (виробництво барвників, медикаментів, нафтопереробка та ін), а в теоретичному плані відкрила шлях побудови теорії просторової будови органічних сполук - стереохімії (Дж. Г. Вант Гофф, 1874).
У другій половині XIX ст. складаються фізична хімія, хімічна кінетика, як вчення про швидкості хімічних реакцій, теорія електролітичної дисоціації, хімічна термодинаміка.
Таким чином, в хімії XIX ст. склався новий загальний теоретичний підхід - визначення властивостей хімічних речовин в залежності не тільки від їх складу, але і від їх структури.
Розвиток атомно-молекулярного вчення призвело до ідеї про складне будові не тільки молекули, але й атома. На початку XIX ст. цю думку висловив англійський учений У. Праут, виходячи з результатів вимірювань, що показали, що атомні ваги елементів кратні атомній вазі водню. На основі цього Праут запропонував гіпотезу, згідно якої атоми всіх елементів складаються з атомів водню.
Новий поштовх для розвитку ідеї про складне будову атома дало велике відкриття Д. І. Менделєєвим (1869) періодичної системи елементів. Менделєєв написав блискучий підручник органічної хімії - перший в Росії, за який йому було присуджено Велика Демидівська премія Академії наук.
Прочитавши в 1867-1868 рр.. курс лекцій з неорганічної хімії, Менделєєв переконався у необхідності створення вітчизняного "керівництва до хімії". Він приступає до написання підручника "Основи хімії". Ця праця був покликаний "познайомити публіку і учнів" з досягненнями хімії, її застосуванням у техніці, сільському господарстві і т.д. Труднощі зустрілися при написанні другої частини підручника, де передбачалося помістити матеріал про хімічні елементи.
Перепробувавши кілька варіантів, Менделєєв помітив, що елементи можна розташовувати в порядку зростання атомної ваги і тоді виявлялося, що в кожній колонці властивості елементів поступово змінювалися зверху вниз. Це була перша таблиця, озаглавлена ​​"Досвід систем елементів, заснований на їхній атомній вазі і хімічній подібності". Дмитро Іванович розумів, що таблиця відображає принцип періодичності, певний закон природи, який встановлює тісний зв'язок між хімічними елементами.
У червні 1871р. Менделєєв закінчив статтю "Періодична законність хімічних елементів", в якій дав формулювання періодичного закону: "Властивості елементів, а тому і властивості утворених ними простих і складних тіл, які складаються в періодичній залежності від їх атомної ваги".
Якщо в минулому столітті підкреслювалося, що "хімія займається не тілами, а речовинами" (Д. І. Менделєєв), то тепер ми є свідками того, як об'єктом все більш пильної уваги вчених-хіміків стають саме реальні макротела - ті самі суміші, розчини , сплави, гази, з якими вони безпосередньо мають справу в лабораторії та на виробництві. За словами К. Маркса, прогрес хімії "не тільки примножує кількість корисних речовин, але і число корисних застосувань вже відомих речовин".

4. Екологічні проблеми хімічної компоненти
сучасної цивілізації
На всіх стадіях свого розвитку людина була тісно пов'язаний з навколишнім світом. Але з тих пір як з'явилося високоіндустріальное суспільство, небезпечне втручання людини в природу різко посилилося, розширився обсяг цього втручання, вона стала різноманітніше і він загрожує стати глобальною небезпекою для людства. Витрата невідновних видів сировини підвищується, усе більше орних земель вибуває з економіки, так на них будуються міста і заводи. Людині доводиться все більше втручатися в господарство біосфери - тієї частини нашої планети, в якій існує життя. Біосфера Землі в даний час піддається наростаючому антропогенному впливу. При цьому можна виділити декілька найбільш істотних процесів, кожний з яких не поліпшує екологічну ситуацію на планеті.
Найбільш масштабним і значним є хімічне забруднення середовища невластивими їй речовинами хімічної природи. Серед них - газоподібні й аерозольні забруднювачі промислово-побутового походження. Прогресує і накопичення вуглекислого газу в атмосфері. Подальший розвиток цього процесу буде підсилювати небажану тенденцію убік підвищення середньорічної температури на планеті. Викликає тривогу в екологів і триваюче забруднення Світового океану нафтою і нафтопродуктами, що досягло вже 1 / 5 його загальної поверхні. Нафтове забруднення таких розмірів може викликати істотні порушення газо-і водообміну між гідросферою і атмосферою. Не викликає сумнівів і значення хімічного забруднення грунту пестицидами і її підвищеною кислотністю, що веде до розпаду екосистеми. У цілому всі розглянуті фактори, яким можна приписати забруднюючий ефект, впливають на процеси, що відбуваються в біосфері.
Людина забруднює атмосферну частину біосфери вже тисячоліттями, однак наслідки вживання вогню, яким він користувався весь цей період, були незначні. Доводилося миритися з тим, що дим заважав диханню, і що сажа лягала чорним покривом на стелі і стінах житла. Одержуване тепло було для людини важливіше, ніж чисте повітря і незакопчені стіни печери. Це початкове забруднення повітря не представляло проблеми, тому що люди жили тоді невеликими групами, займаючи лише невелику частину незайманої природного середовища. І навіть значне зосередження людей на порівняно невеликій території, як це було в класичній стародавності, не супроводжувалося для природи серйозними негативними наслідками. Так було аж до початку дев'ятнадцятого століття.
Але лише за останні сто років розвиток промисловості "обдарував" нас такими виробничими процесами, наслідки яких спочатку людина ще не могла собі уявити. Виникли міста-мільйонери, ріст яких зупинити не можна. Все це результат великих винаходів і завоювань людини.
В основному існують три основних джерела забруднення атмосфери: промисловість, побутові котельні, транспорт. Частка кожного з цих джерел у загальному, забрудненні повітря сильно різниться залежно від місця. Зараз загальновизнано, що найбільш сильно забруднює повітря промислове виробництво. Джерела забруднень - теплоелектростанції, які разом з димом викидають у повітря сірчистий і вуглекислий газ, металургійні підприємства, особливо кольорової металургії, які викидають у повітря оксиди азоту, сірководень, хлор, фтор, аміак, сполуки фосфору, частинки й сполуки ртуті і миш'яку, хімічні і цементні заводи. Шкідливі гази потрапляють в повітря в результаті спалювання палива для потреб промисловості, опалення осель, роботи транспорту, спалювання і переробки побутових і промислових відходів.
Атмосферні забруднювачі поділяються на первинні, вступники безпосередньо в атмосферу, і вторинні, що є результатом перетворення останніх. Так, що надходить в атмосферу сірчистий газ окислюється до сірчаного ангідриду, який взаємодіє з парами води й утворює крапельки сірчаної кислоти. При взаємодії сірчаного ангідриду з аміаком утворюються кристали сульфату амонію. Подібним чином, у результаті хімічних, фотохімічних, фізико-хімічних реакцій між забруднюючими речовинами й компонентами атмосфери, утворяться інші побічні ознаки. Основним джерелом пірогенного забруднення на планеті є теплові електростанції, металургійні і хімічні підприємства, котельні установки, що споживають більше 70% щорічно видобувається твердого та рідкого палива. Основними шкідливими домішками пірогенного походження є наступні:
а) Оксид вуглецю. Виходить при неповному згорянні вуглецевих речовин. У повітря він попадає в результаті спалювання твердих відходів, з вихлопними газами й викидами промислових підприємств. Щорічно цього газу надходить в атмосферу не менш 250 млн. т. Оксид вуглецю є з'єднанням, що активно реагує зі складовими частинами атмосфери й сприяє підвищенню температури на планеті, і створенню парникового ефекту.
б) Сірчистий ангідрид. Виділяється в процесі згоряння серосодержащего палива або переробки сірчистих руд (до 70 млн.т.в рік). Частина сполук сірки виділяється при горінні органічних залишків у гірничорудних відвалах. Тільки в США загальну кількість викинутого в атмосферу сірчистого ангідриду склало 65 відсотків від загальносвітового викиду.
в) Сірчаний ангідрид. Утворюється при окислюванні сірчистого ангідриду. Кінцевим продуктом реакції є аерозоль або розчин сірчаної кислоти в дощовій воді, що підкисляє грунт, загострює. Захворювання дихальних шляхів людини. Випадання аерозолю сірчаної кислоти з димових факелів хімічних підприємств відзначається при низької хмарності й високої вологості повітря. Листові пластинки рослин, що виростають на відстані менш 1 км від таких підприємств, звичайно бувають густо засіяні дрібними некротичними плямами, що утворилися в місцях осідання крапель сірчаної кислоти. Пірометалургійних підприємства кольорової й чорної металургії, а також ТЕС щорічно викидають в атмосферу десятки мільйонів тонн сірчаного ангідриду.
г) Сірководень і сірковуглець. Надходять в атмосферу окремо або разом з іншими сполуками сірки. Основними джерелами викиду є підприємства по виготовленню штучного волокна, цукру, коксохімічні, нафтопереробні, а також нафтопромисли. В атмосфері при взаємодії з іншими забруднювачами піддаються повільному окислюванню до сірчаного ангідриду.
д) Оксиди азоту. Основними джерелами викиду є підприємства, що виробляють азотні добрива, азотну кислоту і нітрати, анілінові барвники, нітросполуки, віскозний шовк, целулоїд. Кількість оксидів азоту, що надходять в атмосферу, становить 20 млн.т. на рік.
е) З'єднання фтору. Джерелами забруднення є підприємства з виробництва алюмінію, емалей, скла, кераміки, сталі, фосфорних добрив. Фторовмісні речовини надходять в атмосферу у вигляді газоподібних сполук - фтороводню або пилу фториду натрію і кальцію. З'єднання характеризуються токсичним ефектом. Похідні фтору є сильними інсектицидами.
ж) Сполуки хлору. Надходять в атмосферу від хімічних підприємств, що виробляють соляну кислоту, які містять хлор пестициди, органічні барвники, гідролізний спирт, хлорне вапно, соду. В атмосфері зустрічаються як домішка молекули хлору й пар соляної кислоти. Токсичність хлору визначається видом сполук і їхньою концентрацією. У металургійній промисловості при виплавці чавуну й при переробці його на сталь відбувається викид в атмосферу різних важких металів і отруйних газів. Так, в розрахунку на 1 т. граничного чавуну виділяється крім 2,7 кг сірчистого газу і 4,5 кг пилових часток, що визначають кількість з'єднань миш'яку, фосфору, сурми, свинцю, пар ртуті й рідких металів, смоляних речовин і ціаністого водню.
з) Аерозольне забруднення атмосфери. Аерозолі - це тверді або рідкі частинки, що знаходяться в зваженому стані в повітрі. Тверді компоненти аерозолів у ряді випадків особливо небезпечні для організмів, а в людей викликають специфічні захворювання. В атмосфері аерозольні забруднення сприймаються у вигляді диму, туману, імли або серпанку. Значна частина аерозолів утвориться в атмосфері при взаємодії твердих і рідких частинок між собою або з водяною парою. Середній розмір аерозольних часток становить 1-5 мкм. В атмосферу Землі щорічно надходить близько 1 куб. км пиловидних частинок штучного походження. Велика кількість пилових частинок утвориться також у ході виробничої діяльності людей. Відомості про деякі джерела техногенного пилу наведені нижче:
Основними джерелами штучних аерозольних забруднень повітря є ТЕС, які споживають вугілля високої зольності, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні, магнезитові і сажеві заводи. Аерозольні частинки від цих джерел відрізняються більшою розмаїтістю хімічного складу. Найчастіше в їхньому складі виявляються сполуки кремнію, кальцію і вуглецю, рідше-оксиди металів: заліза, магнію, марганцю, цинку, міді, нікелю, свинцю, сурми, вісмуту, селену, миш'яку, берилію, кадмію, хрому, кобальту, молібдену, а також азбест.
Ще більша розмаїтість властива органічному пилу, що включає аліфатичні й ароматичні вуглеводні, солі кислот. Вона утворюється при спалюванні залишкових нафтопродуктів, у процесі піролізу на нафтопереробних, нафтохімічних і інших подібних підприємствах. Постійними джерелами аерозольного забруднення є промислові відвали - штучні насипи з перевідкладеного матеріалу, переважно розкривних порід, утворених при видобутку корисних копалин або ж з відходів підприємств переробної промисловості, ТЕС.
Джерелом пилу й отруйних газів служать масові підривні роботи. Так, в результаті одного середнього по масі вибуху (250-300 тонн вибухових речовин) в атмосферу викидається близько 2 тис.куб.м умовного оксиду вуглецю та понад 150 т пилу. Виробництво цементу та інших будівельних матеріалів також є джерелом забруднення атмосфери пилом. Основні технологічні процеси цих виробництв - здрібнювання і хімічна обробка шихт, напівфабрикатів і одержуваних продуктів у потоках гарячих газів, що завжди супроводжується викидами пилу й інших шкідливих речовин у довкілля.
До атмосферних забруднювачів відносяться також вуглеводні-насичені і ненасичені, що включають від 1 до 13 атомів вуглецю. Вони піддаються різним перетворенням, окислюванню, полімеризації, взаємодіючи з іншими атмосферними забруднювачами після порушення сонячною радіацією. У результаті цих реакцій утворюються перекисні сполуки, вільні радикали, сполуки вуглеводнів з оксидами азоту й сірки часто у вигляді аерозольних частинок.
При деяких погодних умовах можуть утворюватися особливо великі скупчення шкідливих газоподібних і аерозольних домішок у приземному шарі повітря. Зазвичай це відбувається в тих випадках, коли в шарі повітря безпосередньо над джерелами газопилової емісії існує інверсія - розташування шару більш холодного повітря під теплим, що перешкоджає повітряних мас і затримує перенесення домішок вгору. У результаті шкідливі викиди зосереджуються під шаром інверсії, зміст їх у землі різко зростає, що стає однією з причин утворення раніше невідомого в природі фотохімічного туману.
Фотохімічний туман (зміг) являє собою багатокомпонентну суміш газів і аерозольних частинок первинного і вторинного походження. До складу основних компонентів смогу входять озон, оксиди азоту й сірки, численні органічні сполуки перекісної природи, звані в сукупності фотооксід антами.
Фотохімічний смог виникає в результаті фотохімічних реакцій за певних умов: наявності в атмосфері високої концентрації оксидів азоту, вуглеводнів і інших забруднювачів, інтенсивної сонячної радіації і затишності або дуже слабкого обміну повітря в приземному шарі при потужній і протягом не менш доби підвищеної інверсії. Стійка безвітряна погода, що зазвичай супроводжується інверсіями, необхідна для створення високої концентрації реагуючих речовин. Такі умови створюються частіше в червні-вересні і рідше взимку. При тривалій ясній погоді сонячна радіація викликає розщеплення молекул діоксиду азоту з утворенням оксиду азоту і атомарного кисню. Атомарний кисень з молекулярним киснем дають озон.
Здавалося б, останній, окислюючи оксид азоту, повинен знову перетворюватися на молекулярний кисень, а оксид азоту - в діоксид. Але цього не відбувається. Оксид азоту вступає в реакції з олефінами вихлопних газів, які при цьому розщеплюються по подвійному зв'язку і утворюють осколки молекул і надлишок озону. У результаті тривалої дисоціації нові маси діоксиду азоту розщеплюються і дають додаткові кількості озону. Виникає циклічна реакція, у результаті якої в атмосфері поступово накопичується озон. Цей процес у нічний час припиняється.
У свою чергу озон вступає в реакцію з олефінами. В атмосфері концентруються різні перекиси, які в сумі і утворюють характерні для фотохімічного туману оксиданти. Останні є джерелом так званих вільних радикалів, що відрізняються особливою реакційною здатністю. Такі смоги - нерідке явище над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком і іншими містами Європи й Америки. За своїм фізіологічному впливом на організм людини вони вкрай небезпечні для дихальної і кровоносної системи і часто бувають причиною передчасної смерті міських жителів з ослабленим здоров'ям.
Пріоритет в області розробки гранично допустимих концентрацій (ГДК) в повітрі належить вітчизняній наук. ГДК - це такі концентрації, які на людину і її потомство прямого або непрямого впливу не надають, не погіршують їх працездатності, самопочуття, а також санітарно-побутових умов життя людей. Узагальнення всієї інформації з ГДК, одержуваної усіма відомствами, здійснюється у Головній Геофізичної Обсерваторії (ГГО).
Усяка водойма або водне джерело пов'язане з навколишньою його зовнішнім середовищем. На нього впливають умови формування поверхневого або підземного водного стоку, різноманітні природні явища, індустрія, промислове і комунальне будівництво, транспорт, господарська і побутова діяльність людини. Наслідком цих впливів є привнесення у водне середовище нових, невластивих їй речовин - забруднювачів, що погіршують якість води. Забруднення, що надходять у водне середовище, класифікують по-різному, в залежності від підходів, критеріїв і завдань. Так, звичайно виділяють хімічне, фізичне й біологічне забруднення. Хімічне забруднення являє собою зміну природних хімічних властивостей вода за рахунок збільшення вмісту в ній шкідливих домішок як неорганічної (мінеральні солі, кислоти, луги, глинисті частки), так і органічної природи (нафта й нафтопродукти, органічні залишки, поверхнево-активні речовини, пестициди) .
Основними неорганічними (мінеральними) забруднювачами прісних і морських вод є різноманітні хімічні сполуки, токсичні для мешканців водного середовища. Це сполуки миш'яку, свинцю, кадмію, ртуті, хрому, міді, фтору. Більшість з них потрапляє у воду в результаті людської діяльності. Важкі метали поглинаються фітопланктоном, а потім передаються по харчовому ланцюзі більше високоорганізованим організмам.
До небезпечних забруднювачів водного середовища можна віднести неорганічні кислоти і підстави, що обумовлюють широкий діапазон рН промислових стоків (1,0-11,0) і здатних змінювати рн водного середовища до значень 5,0 або вище 8,0, тоді як риба в прісній і морській воді може існувати тільки в інтервалі рН 5,0-8,5.
Серед основних джерел забруднення гідросфери мінеральними речовинами й біогенними елементами варто згадати підприємства харчової промисловості і сільське господарство.
З зрошуваних земель щорічно вимивається близько 6 млн. т солей. До 2000 року так чи інакше відбулося збільшення їх маси до 12 млн.т / рік. Відходи, що містять ртуть, свинець, мідь локалізовані в окремих районах у берегів, однак деяка їхня частина виноситься далеко за межі територіальних вод. Забруднення ртуттю значно знижує первинну продукцію морських екосистем, придушуючи розвиток фітопланктону. Відходи, що містять ртуть, зазвичай нагромаджуються в донних відкладеннях заток або естуаріях рік. Подальша її міграція супроводжується нагромадженням метилової ртуті і її включенням у трофічні ланцюги водних організмів.
Так, сумну популярність придбала так звана хвороба Мінамата, вперше виявлена ​​японськими вченими в людей, що вживали в їжу рибу, виловлену в затоці Мінамата, у який безконтрольно скидали промислові стоки з техногенною ртуттю.
Серед внесених в океан із суши розчинних речовин, велике значення для мешканців водного середовища мають не тільки мінеральні, біогенні елементи, але й органічні залишки. Винесення в океан органічної речовини оцінюється в 300 - 380 млн.т / рік.
Стічні води, що містять суспензії органічного походження або розчинена органічна речовина, згубно впливають на стан водойм. Осідаючи, суспензії заливають дно й затримують розвиток або повністю припиняють життєдіяльність даних мікроорганізмів, що беруть участь у процесі самоочищення вод. При гнитті даних опадів можуть утворюватися шкідливі сполуки й отруйні речовини, такі як сірководень, які призводять до забруднення всієї води в річці. Наявність суспензій утрудняють також проникнення світла всередину води, від чого відбувається уповільнення процесів фотосинтезу.
Одним з основних санітарних вимог, що пред'являються до якості води, є вміст у ній необхідної кількості кисню. Шкідлива дія роблять всі забруднення, які, так чи інакше сприяють зниженню вмісту кисню у воді. Поверхнево активні речовини - жири, масла, мастильні матеріали - утворять на поверхні води плівку, яка перешкоджає газообміну між водою й атмосферою, що знижує ступінь насиченості води киснем.
Значний обсяг органічних речовин, більшість з яких не властива природним водам, скидається в ріки разом із промисловими і побутовими стоками. Наростання забруднення водойм і водостоків спостерігається у всіх промислових країнах.
У зв'язку зі швидкими темпами урбанізації й трохи уповільненим будівництвом очисних споруд або їх незадовільною експлуатацією водні басейни й грунт забруднюються побутовими відходами. Особливо відчутне забруднення у водоймах з уповільненою течією або непроточних (водосховища, озера). Розкладаючись у водному середовищі, органічні відходи можуть стати середовищем для патогенних організмів. Вода, забруднена органічними відходами, стає практично непридатною для пиття й інших потреб. Побутові відходи небезпечні не тільки тим, що є джерелом деяких хвороб людини (черевний тиф, дизентерія, холера), але і тим, що вимагають для свого розкладання багато кисню. Якщо побутові стічні води надходять у водойму в дуже великих кількостях, то зміст розчинного кисню може понизиться нижче рівня, необхідного для життя морських і прісноводних організмів.
Нафта являє собою в'язку маслянисту рідину, що має темно-коричневий колір і володіє слабкої флуорисценцией. Нафта складається переважно з насичених аліфатичних і гідроароматичних вуглеводнів. Основні компоненти нафти - вуглеводні (до 98%) - підрозділяються на 4 класи;
а) Парафіни (алкени) - (до 90% від загального складу) - стійкі речовини, молекули яких виражені прямою й розгалуженим ланцюгом атомів вуглецю. Легкі парафіни мають максимальну летючість і розчинність у воді.
б) Ціклопарафіни - (30 - 60% від загального складу) насичені циклічні сполуки з 5-6 атомами вуглецю в кільці. Крім циклопентану й циклогексану в нафті зустрічаються біциклічні і поліциклічні сполуки цієї групи. Ці сполуки дуже стійкі й погано піддаються біоразложенію.
в) Ароматичні вуглеводні - (20 - 40% від загального складу)-ненасичені циклічні сполуки ряду бензолу, що містять у кільці на 6 атомів вуглецю менше, ніж ціклопарафіни. У нафті присутні летучі сполуки з молекулою у вигляді одинарного кільця (бензол, толуол, ксилол), потім біциклічні (нафталін), напівциклічні (пірен).
г) Олефіни (алкени) - (до 10% від загального складу) - ненасичені нециклічні сполуки з одним або двома атомами водню у кожного атома вуглецю в молекулі, що має пряму або розгалужений ланцюг.
Нафта і нафтопродукти є найбільш поширеними забруднюючими речовинами у Світовому океані. До початку 80-их років в океан щорічно надходило близько 6 млн. т нафти, що становило 0,23% світового видобутку. Найбільші втрати нафти пов'язані з її транспортуванням з районів видобутку. Аварійні ситуації, злив за борт танкерами промивних і баластових вод, - все це обумовлює присутність постійних полів забруднення на трасах морських шляхів. У період за 1962-79 роки в результаті аварій у морське середовище надійшло близько 2 млн. т. нафти. За останні 30 років, починаючи з 1964 року, пробурено близько 2000 свердловин у Світовому океані, з них тільки в Північному морі 1000 і 350 промислових свердловин обладнано. З-за незначних витоків щорічно губиться 0,1 млн. т нафти.
Великі маси нафти надходять у моря по ріках з побутовими й зливовими стоками. Обсяг забруднень із цього джерела складає 2,0 млн.т / рік. Зі стоками промисловості щорічно потрапляє 0.5 млн. т нафти. Потрапляючи в морське середовище, нафта спочатку розтікається у вигляді плівки, утворюючи шари різної потужності.
Нафтова плівка змінює склад спектру й інтенсивність проникнення у воду світла. Пропущення світла тонкими плівками сирої нафти складає 1-10% (280 нм), 60-70% (400 нм). Плівка товщиною 30-40 мкм повністю поглинає інфрачервоне випромінювання. Змішуючись із водою, нафта утворює емульсію двох типів: пряму "нафту у воді" і зворотну "вода в нафті". Прямі емульсії, складені крапельками нафти діаметром до 0,5 мкм, менш стійкі й характерні для нафти, яка містить поверхнево-активні речовини. При видаленні летучих фракцій, нафта утворює в'язкі зворотні емульсії, які можуть зберігатися на поверхні, переноситися плином, викидатися на берег і осідати на дно.
Пестициди становлять групу штучно створених речовин, використовуваних для боротьби зі шкідниками та хворобами рослин. Пестициди діляться на наступні групи: інсектициди - для боротьби з шкідливими комахами, фунгіциди й бактерициди - для боротьби з бактеріальними хворобами рослин, гербіциди - проти бур'янистих рослин. Встановлено, що пестициди знищуючи шкідників, завдають шкоди багатьом корисним організмам і підривають здоров'я біоценозів. У сільському господарстві давно вже стоїть проблема переходу від хімічних (забруднюючих середовище) до біологічних (екологічно чистих) методів боротьби зі шкідниками. В даний час більше 5 млн. т пестицидів надходить на світовий ринок. Близько 1.5 млн. т цих речовин уже ввійшло до складу наземних і морських екосистем золовим і водним шляхом. Промислове виробництво пестицидів супроводжується появою великої кількості побічних продуктів, що забруднюють стічні води. У водному середовищі частіше інших зустрічаються представники інсектицидів, фунгецидов і гербіцидів.
Синтезовані інсектициди діляться на три основні групи: хлороорганічні, фосфорорганічні і карбонати. Хлороорганічні інсектициди отримують шляхом хлорування ароматичних і рідких гетероциклічних вуглеводнів. До них відносяться ДДТ і його похідні, в молекулах яких стійкість аліфатичних і ароматичних груп у спільній присутності зростає, усілякі хлоровані похідні хлородиєну (елдрин). Ці речовини мають період піврозпаду до декількох десятків років і дуже стійкі до біодеградації. У водному середовищі часто зустрічаються поліхлорбіфеніли - похідні ДДТ без алифатической частини, що нараховують 210 гомологів та ізомерів. За останні 40 років використано більш 1,2 млн.т поліхлорбіфенілів у виробництві пластмас, барвників, трансформаторів, конденсаторів. Поліхлорбіфеніли (ПХБ) попадають у навколишнє середовище в результаті скидань промислових стічних вод і спалювання, твердих відходах на смітниках. Останнє джерело поставляє ПХБ в атмосферу, звідки вони з атмосферними опадами випадають в усі районах Земної кулі. Так у пробах снігу, узятих в Антарктиді, вміст ПХБ склало 0,03 - 1,2 кг. / Л
Синтетичні поверхнево-активні речовини (СПАР) належать до великої групи речовин, що знижують поверхневий натяг води. Вони входять до складу синтетичних миючих засобів (СМС), широко застосовуються в побуті та промисловості. Разом зі стічними водами СПАР попадають у материкові води й морське середовище. СМС містять поліфосфати натрію, у яких розчинені детергенти, а також ряд додаткових інгредієнтів, токсичних для водних організмів: ароматизуючі речовини, відбілюючі речовини (персульфати, перборати), кальцинована сода, карбоксиметилцелюлоза, силікати натрію.
У залежності від природи й структури гідрофільної частини молекули, СПАР поділяються на аніоноактівние, катіоноактивні, амфотерні й неіоногенні. Останні не утворюють іонів у воді. Найбільш поширеними серед СПАР, є аніоноактівние речовини. На їх частку доводиться більше 50% усіх вироблених у світі СПАР. Присутність, СПАР в стічних водах промисловості пов'язане з використанням їх у таких процесах, як флотаційне збагачення руд, поділ продуктів хімічних технологій, одержання полімерів, поліпшення умов буріння нафтових і газових свердловин, боротьба з корозією встаткування. У сільському господарстві СПАР застосовується в складі пестицидів.
Канцерогенні речовини - це хімічно однорідні сполуки, що проявляють активність, що трансформує і здатність викликати канцерогенні, тератогенні (порушення процесів ембріонального розвитку) або мутагенні зміни в організмах. Залежно від умов впливу вони можуть призводити до інгібування росту, прискорення старіння, порушення індивідуального розвитку і зміни генофонду організмів.
До речовин, що володіють канцерогенними властивостями, відносяться хлоровані аліфатичні вуглеводні, вінілхлорид, і особливо, поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ). Максимальна кількість ПАУ в сучасних даних опадах Світового океану (більше 100 мкг / км маси сухої речовини) виявлено у тектонічно активних зонах, схильним до глибинного термічного впливу. Основні антропогенні джерела ПАУ в навколишньому середовищі - це піроліз органічних речовин при спалюванні різних матеріалів, деревини й палива.
Важкі метали (ртуть, свинець, кадмій, цинк, мідь, миш'як,) відносяться до числа розповсюджених і досить токсичних забруднюючих речовин. Вони широко застосовуються в різних промислових виробництвах, тому, незважаючи на очисні заходи, вміст сполуки важких металів у промислових стічних водах досить високе. Великі маси цих сполук надходять в океан через атмосферу. Для морських біоценозів найнебезпечніші ртуть, свинець та кадмій.
Ртуть переноситься в океан з материковим стоком і через атмосферу. При вивітрюванні осадових і вивержених порід щорічно виділяється 3,5 тис.т ртуті. У складі атмосферного пилу втримується близько 12 тис.т ртуті, причому значна частина - антропогенного походження. Близько половини річного промислового виробництва цього металу (910 тис.т / рік) різними шляхами потрапляє в океан.
У районах, що забруднюються промисловими водами, концентрація ртуті в розчині й суспензіях сильно підвищується. При цьому деякі бактерії переводять хлориди у високотоксичну метилртуть. Зараження морепродуктів неодноразово приводило до ртутного отруєння прибережного населення. До 1977 року налічувалося 2800 жертв хвороби Мінамата, причиною якої послужили відходи підприємств з виробництва хлорвінілу й ацетальдегіду, на яких як каталізатор використовувалася хлориста ртуть. Недостатньо очищені стічні води підприємств надходили в затоку Мінамата.
Свинець - типовий розсіяний елемент, що міститься у всіх компонентах навколишнього середовища: у гірських породах, грунтах, природних водах, атмосфері, живих організмах. Нарешті, свинець активно розсіюється в навколишнє середовище в процесі господарської діяльності людини. Це викиди з промисловими і побутовими стоками, з димом і пилом промислових підприємств, з вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння. Міграційний потік свинцю з континенту в океан іде не тільки з річковими стоками, але й через атмосферу. З континентальним пилом океан одержує 20-30 · 10 3 т свинцю в рік.
Багато країн, що мають вихід до моря, роблять морське поховання різних матеріалів і речовин, зокрема грунту, вийнятого при днопоглиблювальних роботах, бурового шлаку, відходів промисловості, будівельного сміття, твердих відходів, вибухових і хімічних речовин, радіоактивних відходів.
Обсяг поховань склав близько 10% від всієї маси забруднюючих речовин, що надходять у Світовий океан. Підставою для такого роду дій (дампінгу) в море служить можливість морського середовища до переробки великої кількості органічних і неорганічних речовин без особливого збитку води. Однак ця здатність моря не безмежна. Тому дампінг розглядається як вимушена міра, тимчасова данина суспільства недосконалості технології.
У шлаках промислових виробництв присутні різноманітні органічні речовини й сполуки важких металів. Побутове сміття в середньому містить (на масу сухої речовини) 32-40% органічних речовин, 0,56% азоту, 0.44% фосфору, 0,155% цинку, 0,085% свинцю, 0,001% ртуті, 0,001% кадмію.
Під час скидання при проходженні матеріалу крізь стовп води, частина забруднюючих речовин переходить у розчин, змінюючи якість води, інша сорбується частинками суспензії і переходить у донні відкладення. Одночасно підвищується мутність води.
Наявність органічних речовин часто приводить до швидкої витрати кисню у воді і нерідко - до його повного зникнення, розчиненню суспензій, нагромадженню металів у розчиненої формі, появі сірководню. Присутність великої кількості органічних речовин створює в грунтах стійке відновну середу, в якій виникає особливий тип мулових вод, що містять сірководень, аміак, іони металів. Впливу скидаються, у різному ступені піддаються організми бентосу й ін У випадку утворення поверхневих плівок, що містять нафтові вуглеводні й СПАР, порушується газообмін на межі повітря - вода.
Забруднюючі речовини, що надходять у розчин, можуть акумулюватися в тканинах і органах гідробіантів і впливати на них. Скидання матеріалів дампінгу на дно і тривала підвищена мутність придонної води призводить до загибелі від задухи малорухомі форми бентосу. У риб, що вижили, молюсків і ракоподібних скорочується швидкість росту за рахунок погіршення умов харчування й дихання. Нерідко змінюється видовий склад цієї спільноти.
При організації системи контролю за скиданнями відходів у море вирішальне значення має визначення районів дампінгу, визначення динаміки забруднення морської води і донних відкладень.
Теплове забруднення поверхні водойм і прибережних морських акваторій виникає в результаті скидання нагрітих стічних вод електростанціями і деякими промисловими виробництвами. Скидання нагрітих вод у багатьох випадках спричиняється підвищення температури води у водоймах на 6-8 градусів Цельсія. Площа плям нагрітих вод у прибережних районах може досягати 30 кв. км. Більше стійка температурна стратифікація перешкоджає водообміну поверхневих і донних шаром. Розчинність кисню зменшується, а споживання його зростає, оскільки з ростом температури підсилюється активність аеробних бактерій, що розкладають органічну речовину. Зростає видове різноманіття фітопланктону й всієї флори водоростей.
Грунтовий покрив Землі являє собою найважливіший компонент біосфери Землі. Саме грунтова оболонка визначає багато процесів, що відбуваються в біосфері.
Найважливіше значення грунтів складається в акумулюванні органічної речовини, різних хімічних елементів, а також енергії. Грунтовий покрив виконує функції біологічного поглинача, руйнівника і нейтралізатора різних забруднень. Якщо ця ланка біосфери буде зруйновано, то сформоване функціонування біосфери безповоротно порушиться, Саме тому надзвичайно важливе вивчення глобального біохімічного значення грунтового покриву, його сучасного стану й зміни під впливом антропогенної діяльності. Одним з видів антропогенного впливу є забруднення пестицидами.
Відкриття пестицидів - хімічних засобів захисту рослин і тварин від різних шкідників і хвороб - одне з найважливіших досягнень сучасної науки. Сьогодні у світі на 1 га наноситься 300 кг хімічних засобів. Однак у результаті тривалого застосування пестицидів у сільському господарстві, медицині (боротьба з переносниками хвороб) майже повсюдно відрізняється зниження їх ефективності внаслідок розвитку резистентних шкідників і поширенню "нових" шкідливих організмів, природні вороги і конкуренти яких були знищені пестицидами.
У той же час дія пестицидів стало виявлятися в глобальних масштабах. З величезної кількості комах шкідливими є лише 0,3% або 5 тис. видів. У 250-ти видів виявлена ​​резистентність до пестицидів. Це посилюється явищем перехресної резистенції, що полягає в тому, що підвищена стійкість до дії одного препарату супроводжується стійкістю до з'єднань інших класів. З загальнобіологічних позицій резистентність можна розглядати як зміну популяцій у результаті переходу від чутливого штаму до стійкого штаму того ж виду внаслідок добору, викликаного пестицидами. Це явище пов'язане з генетичними, фізіологічними і біохімічними перебудовами організмів.
Непомірне застосування пестицидів (гербіцидів, інсектицидів, дефоліантів) негативно впливає на якість грунту. У зв'язку з цим посилено вивчається доля пестицидів у грунтах і можливості й можливості їх знешкоджувати хімічними й біологічними способами. Дуже важливо створювати й застосовувати тільки препарати з невеликою тривалістю життя, вимірюваної тижнями або місяцями. У цій справі вже досягнуті певні успіхи й впроваджуються препарати з великою швидкістю деструкції, однак проблема в цілому ще не вирішена.
Кислі атмосферні випади на сушу. Одна з найгостріших глобальних проблем сучасності і недалекого майбутнього - це проблема зростаючої кислотності атмосферних опадів і грунтового покриву. Райони кислих грунтів не знають посух, але їхня природна родючість знижена й нестійка, вони швидко виснажуються й урожаї на них низькі. Кислотні дощі викликають не тільки підкислення поверхневих вод і верхніх горизонтів грунтів. Кислотність зі спадними потоками води поширюється на весь грунтовий профіль і викликає значне підкислення грунтових вод. Кислотні дощі виникають у результаті господарської діяльності людини, що супроводжується емісією колосальних кількостей оксидів сірки, азоту, вуглецю.
Ці оксиди, надходячи в атмосферу переносяться на великі відстані, взаємодіють з водою і перетворюються на розчини суміші сірчистої, сірчаної, азотистої, азотної і вугільної кислот, які випадають у вигляді "кислих дощів" на сушу, взаємодіючи з рослинами, грунтами, водами. Головними джерелами в атмосфері є спалювання сланців, нафти, вугілля, газу в індустрії, у сільському господарстві, в побуті. Господарська діяльність людини майже вдвічі збільшила надходження в атмосферу оксидів сірки, азоту, сірководню й оксиду вуглецю.
Природно, що це позначилося на підвищенні кислотності атмосферних опадів, наземних і грунтових вод. Для вирішення цієї проблеми необхідно збільшити обсяг представницьких систематичних вимірів сполук забруднюючих атмосферу речовин на більших територіях.

Висновок
Охорона природи - завдання нашого століття, проблема, що стала соціальною. Знову і знову ми чуємо про небезпеку, що загрожує навколишньому середовищі, але до цих пір багато хто з нас вважають їх неприємним, але неминучим породженням цивілізації й думають, що ми ще встигнемо впоратися з усіма утрудненнями. Однак вплив людини на навколишнє середовище прийняло загрозливі масштаби. Щоб у корені поліпшити положення, знадобляться цілеспрямовані і продумані дії. Відповідальна і діюча політика стосовно навколишнього середовища буде можлива лише в тому випадку, якщо ми назбираємо надійні дані про сучасний стан середовища, обгрунтовані знання про взаємодію важливих екологічних факторів, якщо розробить нові методи зменшення і запобігання шкоди, що завдається Природі Людиною.

Література:
I. Основна
1. ** Горшков С.П. Екзодінаміческіе процеси освоєних територій. М., 1982.
2. ** Карпенків С.Х. Концепції сучасного природознавства. М., 2000
3. ** Нікітін Д.П., Новиков Ю.В. Навколишнє середовище і людина. М., 1986.
4. ** Одум Ю. Основи екології. М., 1975.
5. ** Радзевич М.М., Пашканг К.В. Охорона і перетворення природи. М., 1986.
II. Додаткова
1. * Концепції сучасного природознавства / Под ред. С.І. Самигіна. Ростов н / Д, 2001.
2. ** Кращі реферати. Концепції сучасного природознавства. Ростов н / Д, 2002.
3. * Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. М., 2002.
4. ** Скопин А.Ю. Концепції сучасного природознавства. М., 2003.
5. * Соломатін В.А. Історія та концепції сучасного природознавства. М., 2002.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
154.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Концепція метаболізму і біологічна картина світу
Стратегія структурних перетворень
Динаміка полімерних ланцюгів в процесах структурних і хімічних перетворень макромолекул
Моделі єдності світу
Хімічна промисловість світу
Картина світу 6
Культурна картина світу
Наукова картина світу
Електромагнітна картина світу
© Усі права захищені
написати до нас