Книги, научные публикации Pages:     | 1 | 2 | 3 |

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Оренбургский государственный ...

-- [ Страница 3 ] --

концентрация СО2 удвоится по сравнению с 1978 г., что вызовет повышение средней температуры на Земле на 2,5-3,5 К, таяние ледников и повышение уровня Мирового Океана на 4-5 м. До некоторой степени парниковый эффект компенсируется образованием аэрозолей твердых и жидких частиц, выбрасываемых в атмосферу в результате природных процессов и жизнедеятельности человека. Аэрозоли снижают среднюю температуру земной поверхности. Тем не менее человечеству необходимо снизить поступление СО в атмосферу. Экономически приемлемых путей решения этой проблемы пока не найдено.

Объем производственных отходов непрерывно увеличивается.

Прогнозируется, что годовой объем горных пород возрастет до 600 млрд.т. Эти отходы занимают огромные площади земли, в виде пыли попадают в атмосферу, растворяясь, поступают в гидросферу. Твердые отходы содержат вредные вещества, экологически опасны. В отвалах производств черных металлов имеются титан, никель, кобальт, медь и др. металлы. Золы углей и горючих сланцев содержат Mo, Ge, Re, V и др. элементы. Например, содержание Ge в сжигаемых углях на порядок больше его мирового потребления. При переработке отходов можно получить ряд ценных компонентов. Отходы многих производств металлургической, теплоэнергетической, химической промышленности - сырье для получения строительных материалов.

В развитых странах мира количество бытовых отходов на человека колеблется в пределах 200-250 кг/год. В Москве на каждого жителя приходится около 300 кг/год. Бытовые отходы содержат много компонентов: бумага (30 40%), пищевые отбросы (*30%), металлы (4-9%) и полимеры (2-3%).

Разрабатываются технологии отбора с помощью специальных механизмов компонентов отходов. Пока работают мусоросжигающие заводы, на свалках логневой метод.

Защита воздушного бассейна от загрязнений должна осуществляться по трем направлениям: обезвреживание выбросов, изменение состава топлива и разработка новых методов преобразования энергии и новых технологий.

Однако пока используется только первый путь. Тепловые электростанции оборудуют высокими трубами, на электростанциях и металлургических заводах устанавливают золоуловители, фильтры, адсорберы.

Оксиды серы нейтрализуются веществами основного характера (известняк, известь, оксид магния и др.):

1 SO2 + CaCO3 + H2O = CaSO3 H2O + CO 2 1 SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3 H2O + H2O 2 SO2 + MgO + 6H2O = MgSO3 6H2O Оксиды азота нейтрализуются известью, содой, аммиаком и другими веществами:

4NO + 2Ca(OH) = Ca(NO ) + Ca(NO ) + 2H O 2 2 3 2 2 2 2NO + Na CO = NaNO + NaNO + CO 2 2 3 2 3 2NO + 2NH OH = NH NO + NH NO + H O 2 4 4 3 4 2 Оксиды азота и серы обезвреживаются также методом каталитического восстановления, например:

4NO+CH4=2N2+Co2+2H2O 2NO2+CH4=N2+Co2+2H2O В автомобилях предложены катализаторы, которые устанавливаются в выхлопных трубах и представляют собой пористую насадку с катализатором (Pt, Pd, Rh).

Вода, использованная на производственные или бытовые нужды и получившая загрязнения, которые изменили ее состав и свойства, называется сточной.

Состав вод весьма разнообразен, поэтому разнообразны и методы их очистки. По технологическому признаку методы обезвреживания сточных вод можно подразделить на три группы: очистка от суспензированных и эмульгированных примесей, очистка от растворенных примесей, устранение или уничтожение сточных вод.

Грубодисперсные примеси удаляются из сточных вод отстаиванием, фильтрованием и флотацией.

Очистка от растворенных примесей проводится реагентным, ионообменным, электрохимическим и другими методами. Например, с помощью окислительно-восстановительных реакций можно превратить вредные вещества в безвредные. Так, цианид - ион можно окислить гипохлоритом до азота и СО2:

2CN- + 5OCl- + 2Н+ = 2СО + N + 5Cl- + H O 2 2 Если сточные воды содержат легко восстанавливаемые примеси, то их можно отделить методом восстановления. В качестве восстановителей используют водород, гидразин, алюминий, диоксид серы и др.

Например, триоксид хрома можно восстановить диоксидом серы:

2CrO3+3SO2*Cr2(SO4) Ионообменные методы получают все более широкое применение для удаления примесей из сточных вод. С помощью ионообменных смол можно очистить стоки от радиоактивных катионов, например от ионов стронция:

2+ n- n- 2+ nSr + 2R nH+ R nSr + 2nH+.

При анионировании вредные ионы сточных вод заменяются на ионы анионита:

n+ n+ nCN- + R nOH- R nCN- + nOH- Для очистки сточных вод используют также электродиализ, электроокисление и электровосстановление. При пропускании сточных вод через электролизер с нерастворимыми электродами вредные примеси либо окисляются на аноде, либо восстанавливаются на катоде. Обезвреживание примесей органического характера проводят деструктивным и регенеративным методами. К деструктивным методам относится термоокисление и электроокисление. Термоокисление заключается либо в сжигании сточных вод совместно с топливом (огневое обезвреживание), либо в окислении примесей кислородом воздуха, озоном, хлором и другими окислителями.

Электрохимическое окисление органических примесей происходит на нерастворимом аноде. Например, фенол окисляется на аноде до диоксида углерода и малеиновой кислоты:

_ С H OH + 7H O + 16e = 2CO + (CHCOOH) + 16H+ 6 5 2 2 Для очистки сточных вод широко используется метод адсорбции. В качестве адсорбентов служат активированные угли, синтетические сорбенты, зола, шлак, опилки и др. С помощью активированного угля из сточных вод удаляется бензол, спирт и другие вещества.

Все более широкое применение для очистки сточных вод находит биологический метод, заключающийся в удалении органических примесей с помощью микроорганизмов.

Наилучшим путем решения проблемы охраны водного бассейна является создание замкнутых водооборотных систем. В этом случае полностью исключается сброс сточных вод в водоемы. Важную роль в решении этой проблемы играет химия, так как с помощью химических реакций и физико химических процессов удается удалить до необходимых пределов примеси из сточных вод, которые после обработки снова поступают на производство. При создании замкнутых водооборотных систем проводят регенерацию отработанных растворов с извлечением солей, чтобы сократить до минимума расход воды. Например, заменяют водное охлаждение на воздушное, водные растворы неводными, проводят многократное использование воды в технологическом процессе. В настоящее время на многих предприятиях используют замкнутые водооборотные системы. На некоторых химических заводах в кругообороте находится до 95-97% всей потребляемой воды.

Использование достижений химии является важным условием для решения экологических проблем путем:

- комплексного использования сырья и водорода в качестве топлива.

Применение водорода значительно снизит уровень загрязнения атмосферы, так как при его окислении образуется безвредный продукт - вода. Природные запасы соединений водорода огромны. Водород легко вступает в химические реакции, при его окислении выделяется большое количество теплоты. Поэтому водород может найти широкое применение в промышленности и быту, для синтеза различных соединений освещения, отопления и охлаждения, для получения электроэнергии с помощью электрохимических генераторов.

Энергетическая система должна иметь установки для получения водорода, подсистемы его передачи и распределения и установки для его использования;

- применения электрохимических топливных элементов.

Электрохимическая энергетика включает в себя генерацию и накопление электрической энергии. Генерация электроэнергии происходит в устройствах, называемых топливными элементами (ТЭ). Токообразующей реакцией в ТЭ - окисление водорода:

2Н2+О2=2Н2О.

Для непрерывной работы ТЭ необходимы подача реагентов, отвод продуктов реакции и теплоты, система автоматики. Батарея ТЭ вместе со вспомогательными устройствами составляет электрохимический генератор (ЭХГ), который входит в электрохимическую энергоустановку. Она состоит из блока переработки топлива, инвертора постоянного тока в переменный и устройств использования теплоты;

- создание безвредных и безотходных процессов;

замкнутых систем, обеспечивающих многократное использование воды в производстве;

территориально промышленных комплексов предприятий, взаимосвязанных принципами безотходной технологии в масштабе всего экономического района.

20 Химическая идентификация и анализ веществ Химическая идентификация.

Качественный и количественный анализ.

Химические, физико-химические и физические методы анализа.

В практической деятельности часто возникает необходимость идентификации (обнаружения) вещества и количественной оценки (измерения) его содержания. Химическая идентификация - это установление вида и состояния фаз, молекул, атомов, ионов и других составных частей вещества на основе сопоставления экспериментальных и справочных данных для известных веществ. Обычно определяется комплекс свойств веществ: цвет, вязкость, плотность, температуры плавления, кипения и фазового перехода, растворимость, электродный потенциал и др. Для облегчения идентификации созданы банки химических и физико-химических данных, используются универсальные приборы (хроматографы, спектрофотомеры, полярографы и др.), снабженные компьютерами, в памяти которых имеется справочная химико-аналитическая информация. Химические идентификация и измерения являются предметом специальной химической науки - аналитической химии, которая рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества. Включает качественный анализ и количественный анализ.

В классическом качественном анализе используются, главным образом, легко выполняемые, характерные для данного элемента химические реакции, сопровождаемые легко наблюдаемыми эффектами (появление или исчезновение окрашивания, выделение или растворение осадка, выделение газа и т. п.). Используемые для обнаружения реакции должны быть по возможности специфическими (селективными) и обладать достаточно высокой чувствительностью.

Классический анализ неорганических веществ производят сухим или мокрым путем. Анализ сухим путем применяется для предварительных испытаний и при исследовании минералов. Он включает испытание на окрашивание пламени газовой горелки, в которое на платиновой игле вносят исследуемое вещество, смоченное 7,5 н. растворе HCl. Таким путем обнаруживают Hg(I), Tl(I), Pb, Cu, As, Sb, Te, Ga, Ba, Sr, Ca, Li, Na, K, Rb, Cs.

Для открытия ряда элементов применяют также фотометрию пламени, спектральные, рентгеноспектральные, полярографические и другие методы.

Другие классическим методом предварительного испытания сухим путем является получение перлов буры или фосфорной соли (Na2NH4PO4.4H2O) со следами анализируемого вещества при нагревании их последовательно в окислительном и в восстановительном пламени. По окраске перлов можно судить о наличии Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Mo, W, Nb, Ce.

Иногда нагревают небольшую пробу анализируемого материала в закрытой или открытой стеклянной трубке и наблюдают образующиеся на холодных частях трубки возгоны или распознают выделяющиеся газы по запаху либо другим путем.

При нагревании исследуемого вещества на платиновой или фарфоровой пластинке обращают внимание на изменение цвета;

прокаливают исследуемое вещество с углем в присутствии карбоната натрия (нитрата кобальта) и цианида калия, наблюдают цвет образующихся продуктов реакции и возгонов, металлических корольков;

перечисленные методы позволяют обнаружить Sb, As, Mo, Pb, Bi, Zn, Cd, Hg, Fe, Ni, Co, Mn, Ag, Sn, Cu, Au, Pt, S, Se, а также бораты, фосфаты, силикаты, сульфиды As и Sb, пирит, соли аммония, алюминия, цинка, магния, окиси As, Sb и Sn(IV).

Качественный анализ мокрым путем (в растворах) осуществляют макро-, полумикро-, микро- и ультра-микрометодами, которые отличаются друг от друга количеством взятого для исследования материала и объемом раствора и соответственно этому - техникой работы.

Таблица 3. Методы химического качественного анализа.

Количество вещества взятого для Объем раствора, Метод полного анализа, мг мл Классический макрометод > 100 > Полумикрометод от 100 до 10 от 5 до 0, Микрометод от 10 до 0,1 от 0,5 до 0, Ультрамикрометод < 0,1 < 0, Наибольшее практическое значение в химическом качественном анализе имеют специальные реакции, позволяющие обнаруживать данный элемент даже при небольших его концентрациях в присутствии большого числа других элементов. Помимо селективности, важнейшей характеристикой реакции является ее чувствительность, выраженная наименьшим количеством обнаруживаемого элемента или же наименьшей концентрацией раствора, при которой данный элемент может быть однозначно обнаружен без предварительного обогащения (предельная концентрация).

Неорганический качественный анализ в водных растворах основан на ионных реакциях и позволяет обнаруживать элементы в форме катионов или анионов. В классической схеме анализа катионы с помощью групповых реагентов разделяют на группы, которые подразделяются на подгруппы.

Анионы не имеют общеустановленного разделения на подгруппы.

Разделение ионов на группы и подгруппы основано на использовании их главнейших химических свойств (кислотно-основных, комплексообразующих, окислительно-восстановительных).

Органический качественный анализ отличается от неорганического анализа. Подавляющее большинство органических соединений имеют ковалентный характер и потому каждое из них должно идентифицироваться индивидуально. В органическом качественном анализе смесь веществ первоначально разделяют, основываясь на их разной летучести, растворимости или сорбции. Затем вещества разделяют по классам согласно их растворимости, преимущественно в воде и эфире. Наконец, применяют групповые реакции, с помощью которых устанавливают присутствие классов химических соединений (спирты, фенолы, кислоты, амины и проч.);

некоторые химические реакции позволяют перевести малоразличимую смесь веществ в вещества с достаточно различимыми физическими свойствами, что дает возможность отделять их далее посредством дистилляции или растворения. При идентификации выделенного чистого вещества большое значение имеют элементный и функциональный качественный анализ, проводимые обычными методами для открытия углерода, водорода, азота, серы, галогенов, фосфора, мышьяка и металлов, а также испытание основных физических свойств (температур плавления и кипения, растворимости и определения молекулярной массы).

Количественный анализ - раздел аналитической химии, в задачу которого входит определение количества (содержания) элементов (ионов), радикалов, функциональных групп, соединений или фаз в анализируемом объекте. В отличие от качественного анализа, позволяющего установить, из каких химических элементов или соединений состоит анализируемый материал, количественный анализ имеет цель установить элементный или молекулярный состав исследуемого объекта или содержание отдельных его компонентов.

Количественный анализ можно свести к следующим четырем принципиальным стадиям:

а) отбор и подготовка образца к анализу;

б) переведение определяемой составной части в состояние, удобное для измерения;

в) измерение количества компонента;

г) расчет и интерпретация количественных данных.

Обычно наиболее трудная часть аналитического процесса - изолирование определяемой составной части объекта, количество которой затем должно быть измерено. Сам процесс измерения относительно прост. Количественные методы анализа развиваются в сторону создания специфических методов определения с тем, чтобы избежать или свести к минимуму сложные операции по отделению. Одно из важнейших требований при отборе для количественного анализа состоит в том, чтобы проба, взятая от большого количества исследуемого материала, точно отражала его средний состав.

В зависимости от объекта исследования различают неорганический и органический анализ. В свою очередь, неорганический и органический анализ разделяют на элементный анализ, ставящий своей целью установить, в каком количестве содержатся элементы в анализируемом объекте, и на молекулярный и функциональный анализ, дающие ответы о количественном содержании радикалов, соединений функциональных групп в анализируемом веществе.

Классическими методами количественного анализа являются весовой и объемный.

Сущность гравиметрического метода заключается в получении труднорастворимого соединения, в которое входит определяемый компонент.

Для этого навеску вещества растворяют и с помощью реагента осаждают анализируемое соединение. Осадок отфильтровывают, высушивают, прокаливают и взвешивают. По массе вещества находят массу определяемого компонента.

Имеются разновидности гравиметрического метода. Анализируемый компонент выделяют в виде газа, который взаимодействует с реактивом. По изменению массы реактива судят о содержании определяемого компонента в навеске. Например, содержание карбонатов в породе можно определить путем воздействия на анализируемый образец кислотой, в результате которого выделяется СО2:

2 СО + 2Н+ H CO H O + CO.

3 2 3 2 Количество выделившегося СО2 определяют по изменению массы реагента (например, СаО), с которым реагирует СО2.

Трудоемкость и относительно большая продолжительность - основной недостаток гравиметрического метода.

Сущность титриметрического метода заключается в измерении объема раствора реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым компонентом. Определение проводят способом титрования, т. е. постепенного приливания титрованного раствора (титранта) к раствору анализируемого вещества, объем которого точно измерен. Титрование прекращают при достижении точки эквивалентности.

Существует несколько разновидностей титриметрического анализа:

кислотно-основное титрование, осадительное титрование, комплексонометрическое титрование и окислительно-восстановительное титрование. Известны и многие другие методы определения, основанные на измерении физических величин, зависящих от количества вещества. К этим методам относятся физико-химические и чисто физические методы.

Физико-химические методы анализа - методы, в которых анализируемые вещества подвергают химическим превращениям, а аналитический сигнал представляет собой физическую величину, функционально связанную с концентрацией или массой определяемого компонента. Аналитическими сигналами служат интенсивность излучения (в люминесцентном анализе), поглощательная способность (в фотометрии пламени, нефелометрия), сила тока, количество электричества, электропроводность, разность потенциалов (в различных вариантах электрохимических методов анализа, например, вольтамперометрии, кулонометрии, кондуктометрии, потенциометрии и др.).

Инструментальные методы анализа обладают многими достоинствами:

экспрессность, высокая чувствительность, возможность избирательного определения веществ в многокомпонентных системах.

К наиболее применимым электрохимическим методам анализа относятся потенциометрический, полярографический и кондуктометрический.

Потенциометрический метод базируется на измерении электродных потенциалов. Измерительная ячейка состоит из измерительного (индикаторного) электрода и электрода сравнения, который не чувствителен к определяемому веществу. По значению потенциала измерительного электрода судят о концентрации ионов. Для измерения рН широко применяют ионоселективные стеклянные электроды.

Электрическая проводимость разбавленных растворов пропорциональна концентрации электролитов.

По электрической проводимости определяют концентрацию электролита в растворе. Например, методом кондуктометрии определяют общее содержание примесей в воде высокой чистоты.

Оптические методы анализа основаны на измерении оптических свойств веществ и излучений. Они включают в себя эмиссионные, люминесцентные и абсорбционные спектральные методы.

В методе эмиссионной спектроскопии проба вещества нагревается до очень высоких температур (2000-15000 0С). Вещество испаряясь, диссоциирует на атомы или ионы, которые дают излучение. В спектрографе излучение разлагается на компоненты в виде спектра цветных линий. Сравнение этого спектра со справочными данными о спектрах элементов позволяет определить вид элемента, а по интенсивности спектральных линий - количество вещества.

Разновидность эмиссионного анализа является эмиссионная пламенная фотометрия, в которой исследуемый раствор вводят в бесцветное пламя горелки. По изменению цвета пламени судят о виде вещества, а по интенсивности окрашивания - о концентрации его.

При прохождении света через раствор свет или его компоненты поглощаются или отражаются. Зависимость изменения интенсивности потока света, прошедшего через раствор, от концентрации вещества выражается уравнением:

lg(I / I) = lc, (54) где I0 и I - интенсивность потока света, падающего на раствор и прошедшего через раствор;

- коэффициент поглощения света, зависящий от природы вещества (молярный коэффициент поглощения);

l - толщина светопоглощающегося слоя.

Физические методы анализа основаны на измерении физических (главным образом, ядерных, атомных, молекулярных) характеристик, обусловливающих химическую индивидуальность определяемых компонентов.

Такими характеристиками могут быть спектры излучения и поглощения электромагнитного излучения (радиочастотные, инфракрасные (ИК), видимые, ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские и гамма спектры), естественная и искусственная радиоактивность, магнитные свойства и др. Наиболее широкое распространение получили методы спектрального анализа.

К физическим методам анализа относится масс - спектрометрия, которая позволяет определить в твердых и жидких веществах почти все химические элементы (пределы обнаружения до 10-6-10-8% по массе), а также является важным методом изотонного анализа и анализа органических соединений.

Ядерно-физические методы, например, активационный анализ, широко применяется при исследовании особо чистых веществ и геологических объектов. Активационные методы обеспечивают рекордно низкие пределы обнаружения элементов - до 10-14 г. Все шире используются методы ядерно магнитного резонанса, электронно-парамагнитного резонанса, оптико акустической спектроскопии и другие.

Развитие физических методов анализа - одна из важнейших задач аналитической химии. Эти методы отличаются чрезвычайно низкими пределами обнаружения, экспрессностью и используется при автоматизации технологических процессов. Они применяются также для проведения неразрушающего, дистанционного и локального анализа. Реализация возможностей физических методов анализа требует создания специальных приборов и установок, в которых используются последние достижения приборостроения, электроники и вычислительной техники. В связи с возрастающей ролью физических методов анализа возникли тесные связи аналитической химии с физикой. Намечается тенденция превращения аналитической химии в дисциплину на стыке наук.

Список использованных источников 1 Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1998. - 743 с.

2 Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. - М.: Мир, 1983. - 412 с.

3 Зайцев О.С. Общая химия. - М.: Химия, 1990. - 352 с.

4 Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высшая школа, 1998. - 559 с.

5 Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. - М.:

Химия, 1981. - 632 с.

6 Некрасов Б.В. Основы общей химии. - Т. 2. - М.: Химия, 1973. - 688 с.

7 Некрасов Б.В. Основы общей химии. - Т. 1. - М.: Химия, 1974. - 656 с.

8 Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 1985. - 704 с.

9 Глинка Н.Л. Общая химия. - М.: Интеграл-Пресс, 2003.

10 Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Основы неорганической химии. - М.: Мир, 1979. - 396 с.

11 Кузнецов В.И. Общая химия. - М.: Высшая школа, 1989. - 520 с.

12 Угай Я.А. Общая химия. - М.: Высшая школа, 1984. - 462 с.

13 Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1997. - 498 с.

14 Хаускрофт К., Костебл Э. Совершенный курс общей химии. - М.: Мир, 2002. - Т. 1-2. - с. 642 с.

15 Хомченко И.Г. Общая химия. - М.: Новая волна, 1998. - 480 с.

Pages:     | 1 | 2 | 3 |    Книги, научные публикации