Курс лекций по химии (стр. 15 )

Характеристикой жидкого топлива, применяемого в двигателях внутреннего сгорания, а именно показателем его детонационных свойств, является октановое число. Предельные углеводороды нормального строения в смеси с воздухом склонны к детонации, то есть к чрезвычайно быстрому, приближающемуся к взрыву, горению бензовоздушной смеси, что отрицательно влияет на работу двигателя. Источником детонации являются образующиеся в цилиндре мотора пероксидные соединения. Содержание в топливе предельных углеводородов изостроения с разветвленным скелетом и соответственно большим числом метильных групп СН3, например, изооктана, а также циклических, непредельных олефиновых и ароматических углеводородов снижает детонацию топливовоздушной смеси. Детонационная стойкость изооктана С8Н18

СН3 СН3

СН3–С–СН2–СН

СН3 СН3

принимается равной 100 (октановое число 100), а детонационная стойкость нормального гептана С7Н16

СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3

принимается равной 100 (октановое число 0). Октановое число бензина численно равняется процентному содержанию изооктана в смеси с нормальным гептаном, эквивалентной по детонационной способности данному бензину.

Чем выше октановое число, тем меньше склонность топлива к детонации. Повышение октанового числа достигается прибавлением к топливу незначительного количества тетраэтил - свинца Pb(C2H5)4, представляющего собой тяжелую жидкость (весьма ядовитую). Тетраэтилсвинец препятствует накоплению пероксидов в цилиндре, обрывая цепи их молекул. В последнее время он заменяется карбонилами марганца - С5Н5Mn(CO)3, Mn(CO)10 и т. п.

В настоящее время ведутся работы по переходу на неэтилированные бензины путем изменения технологии производства бензинов. Наиболее перспективной является высокооктановая добавка - метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ). Физико-химические свойства МТБЭ близки к свойствам бензина. Добавка 10 % МТБЭ в бензин повышает октановое число на 5–6 ед. Хорошая совместимость МТБЭ с бензином позволяет получать неэтилированные бензины типа А-76 и АИ-93.

9.4.2. Смазочные материалы

Смазочные материалы - вещества, вводимые между трущимися поверхностями различных узлов трения двигателей, машин и механизмов. Основное назначение смазочных материалов - снижение износа трущихся деталей. В ряде случаев они уменьшают трение между трущимися поверхностями, защищают их от коррозии и действия внешних факторов или агрессивных сред и др.

Все смазочные материалы подразделяют на моторные, трансмиссионные, турбинные, компрессорные и приборные. В зависимости от исходного сырья различают нефтяные, животные, растительные и синтетические масла.

Нефтяные масла получают при вакуумной перегонке мазута (дистилляционные масла). Дистилляционные масла имеют высокую стабильность. Их смешение (компаундные масла) обеспечивает сочетание положительных качеств. Например, к дистилляционному маслу добавляют остаточное масло (масс. доли в %) не менее 14 (М-8), 25 (АСВ-10), 30 (М-11), 40 (М-14), 50 (М-16).

Моторные масла. При работе двигателей протекают различные химические реакции, приводящие к загрязнению масла и образованию отложений на поверхности металла.

При работе происходит окисление углеводородов до кар-боновых кислот или оксокислот, которые катализируются про-дуктами износа металлов. Наиболее устойчивы против окисления ароматические углеводороды без боковых цепей. Для замедления окисления в масло вводят специальные присадки, например, дитиофосфаты цинка.

Для предотвращения коррозии металлов в масло вводят ингибиторы коррозии, а также проводят нейтрализацию масла щелочью. Для улучшения способности масел смывать отложения и нагары (моющей способности) в них вводят специальные присадки, например, бариевые или кальциевые соли сульфокислот, действующие подобно мылам.

В качестве моторных используются и синтетические масла: полиэфирные (на основе сложных эфиров дикарбоновых кислот), диалкилбензольные, полиэтиленглюколевые и фосфорорганические.

Полиэфирные масла, обладающие высокой стойкостью против окисления, коррозийной инертностью, хорошими смазывающими и вязкостными свойствами, нашли применение в турбореактивных и турбовинтовых двигателях авиации.

Трансмиссионные масла предназначены для смазки закрытых зубчатых передач тракторов, автомобилей, локомотивов, гипоидных передач автомобилей. В качестве трансмиссионных масел, в основном, применяются остаточные масла, например, нигрол.

Пластические (консистентные) смазки используются в подшипниках качения, шарнирных направляющих и других узлах трения, работающих при температуре от –60 до +350 0С. Это мазеобразные продукты, получаемые введением загустителей в минеральные масла.

Твердые смазки. В качестве твердых смазок используются слоистые материалы: графит, дисульфиды молибдена МоS2 и вольфрама WS2, диселениды молибдена MoSe2, вольфрама WSe2, ниобия NbSe2, нитрид бора. Твердые смазки применяются в узлах трения, работающих при высоких температурах и давлениях в агрессивных средах. При введении твердых смазок в стабильные полимеры (например, полиамидные смолы, фторопласты) получают самосмазывающие материалы.

9.4.3. Охлаждающие жидкости

При работе двигатели внутреннего сгорания сильно перегреваются, необходимо отводить теплоту, для этой цели используются охлаждающие жидкости. Требования, предъявляемые к жидкостям для систем охлаждения двигателей, весьма разнообразны. Такая жидкость не должна замерзать и кипеть во всем рабочем диапазоне температур двигателя, легко прокачиваться при этих температурах, не воспламеняться, не вспениваться, не воздействовать на материалы системы охлаждения, быть стабильной в эксплуатации и при хранении, иметь высокую теплопроводность и теплоемкость.

В наибольшей степени этим требованиям отвечает вода и водные растворы некоторых веществ. Вода имеет целый ряд положительных свойств: доступность, высокую теплоемкость, пожаробезопасность, хорошую прокачиваемость при положительных температурах. К недостаткам воды следует отнести: неприемлемо высокую температуру замерзания и увеличение объема при замерзании, недостаточно высокую температуру кипения и склонность к образованию накипи. Эти недостатки ограничивают применение воды в качестве охлаждающей жидкости.

В последние десятилетия в качестве охлаждающих жидкостей применяется низкозамерзающие охлаждающие жидкости - антифризы на основе водных растворов этиленгликоля - двухатомного спирта СН2ОНСН2ОН с температурой кипения 197 0С. В отличие от воды, при замерзании антифризы не расширяются и не образуют твердой сплошной массы кристаллов воды в среде этиленгликоля.

Антифризам также присущи некоторые недостатки. Так, их теплопроводность и теплоемкость ниже, чем у воды, что не-сколько снижает эффективность систем охлаждения. При нагреве антифризы увеличивают объем, ввиду чего в системе охлаждения устанавливается расширительный бочок. Этиленгликоль коррозионно агрессивен по отношению к металлам, поэтому в антифризы при изготовлении добавляют антикоррозионные присадки. Для гашения пены добавляют также специальные противопенные присадки. Общее содержание присадок составляет 3–5 %. Наиболее широко на автомобилях применяется антифриз Тосол А-40 (с 1985 года - Тосол А40-М).

9.4.4. Тормозные жидкости

Тормозные жидкости служат для передачи энергии к исполнительным механизмам в гидроприводе тормозной системы автомобилей.

Надежная работа тормозной системы - необходимое условие безопасной эксплуатации автомобиля, поэтому тормозная жидкость является ее функциональным элементом и должна отвечать комплексу технических требований. К ним предъявляются требования химической и физической стабильности, химической и коррозионной инертности, высоких значений модуля объемной упругости, температур воспламенения и кипения, хороших смазочных и противоизносных свойств. Рабочие температуры тормозных жидкостей лежат в широких пределах от – 40 до +200 0С.

В настоящее время выпускается несколько марок тормозных жидкостей.

Жидкость БСК представляет собой смесь бутилового спирта и касторового масла, имеет хорошие смазывающие свойства, но невысокие вязкостно-температурные показатели, используется в основном на старых моделях автомобилей.

Жидкость "Нева" - основными показателями ее являются гликолевый эфир и полиэфир. За последнее время взамен этой жидкости выпускается другая - "Томь", которая имеет лучшие эксплутационные свойства, чем "Нева", более высокую температуру кипения, совместима с "Невой" при смешивании в любых соотношениях.

Для новых моделей легковых автомобилей разработана жидкость "Роса". Основной компонент - боросодержащий полиэфир.

Подведя итог по данной главе, можно сказать, что химиками разработано очень большое количество смазочных, охлаждающих и передающих энергию жидкостей, имеющих сложный химический состав.

Тема 10. Химия и экология

Научно-технический прогресс коренным образом изменяет жизнь человека. Однако он может породить и определенные проблемы, к одной из которых относится экологическая проблема. Деятельность человека в настоящее время заметно влияет на окружающую среду.

Ущерб, наносимый загрязнением окружающей среды, огромен. Поэтому экологические проблемы находятся в центре внимания человечества, более подробно эти проблемы изучает экология. Таким образом, под экологией понимают науку, которая изучает взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой, а также закономерности взаимодействия человека с окружающей средой.

Загрязнение окружающей среды может происходить как естественным, так и искусственным путем. Естественные источники загрязнения - извержения вулканов, землетрясения, смерчи, ураганы и т. д. Искусственные источники загрязнения связаны с жизнью и деятельностью человека.

К искусственным источникам загрязнения окружающей среды следует отнести промышленное и сельскохозяйственное производство, транспорт, отопление и др., в результате действия которых меняются состав и свойства воздушной атмосферы, гидросферы, загрязняются поверхностные участки суши.

В своей деятельности человек непосредственно взаимодействует, главным образом, с биосферой - совокупностью верхних оболочек Земли, населенной живыми организмами и преобразованной ими. В эту совокупность входят приземные слои атмосферы, океан, а также верхняя часть литосферы, главным образом, почва.

Интенсивность человеческой деятельности, то есть скорость расходования природных веществ или образования продуктов человеческой деятельности, значительно превышает (за редким исключением) интенсивность природных процессов. Кроме того, в процессе промышленного производства в качестве целевых или побочных продуктов довольно часто получаются соединения, отсутствующие или, по крайней мере, редко встречающиеся в природе.

Эти соединения попадают в окружающую среду в виде отходов промышленного производства, а также в качестве побочного, непредусмотренного результата человеческой деятельности, из них к наиболее токсичным относятся тяжелые металлы и неметаллы II, V и VII групп таблицы . Наиболее опасными из них являются бериллий, ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, сурьма и теллур. Токсичные элементы принимают участие в природном кругообороте, заканчивающимся на животных и человеке, в организме которых эти элементы могут накапливаться.

Чрезвычайно неприятны загрязнители синтетического производства.

Ущерб, наносимый загрязнением окружающей среды, огромен. Поэтому экологические проблемы находятся в центре внимания человечества.

В решении экологических проблем велика роль химии. Подавляющее большинство вредных выбросов электростанций, транспорта, промышленных и сельскохозяйственных предприятий являются продуктами различных химических реакций: окисления (горения), восстановления, разложения и т. п. Понимание специалистами этих реакций способствует принятию правильных решений по снижению или полному устранению вредных последствий.

Источником вредных воздействий на природу является и химическая промышленность. К настоящему времени в окружающую среду выброшено около 3 млн. новых химических соединений, к которым природа не приспособлена. Следует, однако, отметить, что использование достижений химии является важным условием решения экологических проблем. Химическая промышленность производит ряд реагентов, адсорбентов, ионообменных смол и других веществ, без которых невозможна очистка сточных вод и других выбросов.

На базе использования законов химии удается решить многие экологические задачи не только в химической, но и в других отраслях промышленности. Наиболее перспективный метод решения экологических проблем заключается в создании безвредных и безотходных процессов.

10.1. Загрязнение воздушного бассейна

Основными антропогенными источниками загрязнения атмосферы являются: сжигание топлива, транспорт, черная и цветная металлургия, химическая и нефтехимическая промышленность, атомная промышленность, предприятия по производству строительных материалов.

Из общего количества техногенных примесей, нарушающих естественное соотношение газовых и аэрозольных компонентов атмосферного воздуха, на долю диоксида серы приходится около 50 %, доли углекислого газа, оксида углерода (II) ("угарного газа"), оксидов азота и аэрозолей составляют соответственно 20, 6, 1 и 20 %. Около 81 % оксида углерода (II) технического происхождения приходится на долю автотранспорта. Известно около 170 вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах, из них 160 всевозможные углеводороды.

Наибольшую опасность представляет загрязнение атмосферного воздуха в городах. В настоящее время в мире эксплуатируется около 400 млн. автомобилей и число их непрерывно возрастает, соответственно растут и вредные выбросы в атмосферу.

Сейчас многими учеными рассматриваются проблемы глобального загрязнения окружающей среды, то есть загрязнения в масштабах всей планеты. К числу таких глобальных последствий относятся разрушение озонового слоя, "парниковый" эффект и кислотные дожди.

Кислотные дожди. Огромный выброс в атмосферу соединений серы вызывает выпадение так называемых "кислотных" дождей. По оценкам экспертов ООН, в атмосферу ежегодно выбрасывается около 100 млн. т этих соединений, которые образуются следующим образом:

SO2 + H2O = H2SO3,

SO3 + H2O = H2SO4.

Кроме этого, в атмосферу поступает от автотранспорта и тепловых электростанций оксиды азота. В результате реакции NO2 с водой

3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO.

Образованные таким образом кислоты в виде мелких капель переносятся на большие расстояния, иногда на сотни километров, и выпадают в виде кислотных дождей.

Установлено, что кислотные дожди снижают устойчивость человека к простудным заболеваниям, наносят ущерб лесам, сельскохозяйственной продукции, особенно овощам; ускоряют коррозию конструкций из стали, никеля и меди; разрушают песчаник, известняк и мрамор; наносят непоправимый ущерб зданиям и памятникам культуры. Значительный вред кислотные дожди наносят речным и морским организмам.

Наибольшее беспокойство с точки зрения возможных последствий вызывает загрязнение атмосферы диоксидом углерода СО2, в связи с возрастанием темпов сжигания топлива. Предполагают, что к 2050 г. концентрация СО2 удвоится по сравнению с 1980 г. Из вероятных последствий этого сейчас наиболее широко обсуждается возможность изменения климата на земле.

Из-за повышения содержания углекислого газа в атмосфере среднегодовая температура на планета может подняться на 2–4 0С, в результате чего целые страны окажутся под водой, изменится направления морских течений и осадков, плодородные земли превратятся в пустыню. Дело в том, что диоксид углерода снижает количество тепловой энергии, теряемое землей. СО2 прозрачен для солнечного света, но не пропускает в атмосферу инфракрасное излучение Земли, то есть ведет себя подобно полиэтиленовой пленке в парнике, поэтому это явление получило название "парниковый эффект".

Внимание ученых и общественности сейчас приковано к образованию и расширению площади так называемых "дыр" в озоновом экране Земли. В атмосфере нашей планеты на разных высотах (наиболее низко над полюсами: 7–8 км) имеется сильно разряженный слой озона, защищающий все живое на земле от жестокого ультрафиолетового излучения. Больше всего озона на высоте 20–25 км над поверхностью земли. Общее содержание озона в этом слое невелико: толщина слоя всего 3 мм. Разрушению озона способствует наличие в стратосфере фреонов, оксидов азота, водорода, брома. Так, попадая в стратосферу, фреоны под действием ультрафиолетового излучения Солнца разлагаются с выделением свободного галогена, действующего как катализатор при разрушении озона.

Разрушение озонового экрана может привести к повышению вероятности различных заболеваний среди людей и животных, повлиять на продукцию сельского хозяйства. Изменение концентрации озона по высоте может вызвать перераспределение температуры в стратосфере и повлиять на климат земли, возможны и другие последствия, поэтому принято решение резко сократить производство и употребление фреонов.

Кроме перечисленных факторов к глобальному загрязнению среды относятся: загрязнение ртутью, органическими соединениями - пестицидами и полихлорированными бифенилами, канцерогенными веществами и т. д.

Защита воздушного бассейна от загрязнений стала одной из важных и сложных задач, стоящих перед человечеством. Решение этой задачи осуществляется по трем направлениям: обезвреживание выбросов, изменение состава топлива и разработка новых методов преобразования энергий и новых технологий. Что делается по этим направлениям? Тепловые электростанции, заводы оборудуются высокими трубами для рассеивания выбросов в более высокие слои атмосферы. Электростанции и металлургические заводы имеют золоуловители для удаления золы из продуктов горения, фильтры и адсорберы для сорбции некоторых газов и твердых частиц.

Оксиды серы и азота, имеющие кислотный характер, нейтрализуются веществами основного характера. Для нейтрализации оксида серы используется известь, известняк, оксид магния и другие вещества:

SO2 + CaCO3 + 1/2H2O = CaSO3·1/2H2O + CO2,

SO2 + Ca(OH)2 = CaSO3·1/2H2O + 1/2 H2O,

SO2 + MgO + 6H2O = MgSO3·6H2O,

SO2 + (NH4)2SO3 + H2O = 2NH4HSO3.

Оксиды азота нейтрализуются известью, содой, аммиаком и другими веществами:

2NO2 + Na2CO3 = NaNO2 + NaNO3 + CO2,

2NO2 + 2Ca(OH)2 = Ca(NO3)2 + Ca(NO2)2 + 2H2O,

2NO2 + 2NH4OH = NH4NO3 + NH4NO2 + H2O.

Оксиды азота и серы, а также монооксид углерода можно обезвредить методом каталитического восстановления или окисления.

Для окисления монооксида углерода и восстановления оксидов азота в автомобилях предложены катализаторы, которые могут устанавливаться в выхлопных трубах (платина, палладий и др.).

Наиболее кардинальным решением проблемы защиты воздушного бассейна является разработка новых методов преобразования энергии и новых машин, обеспечивающих безвредные выбросы, а также применение менее вредных веществ. Так, например, происходит замена галогенсодержащих хладенов на новые соединения, не разрушающие озоновый слой в верхних слоях атмосферы. Существенного уменьшения загрязнения воздушного бассейна можно достичь, если осуществить идеи водородной энергетики, электрохимической энергетики, а также замену в автомобилях двигателя внутреннего сгорания на экологически чистые устройства и, прежде всего, на батареи аккумуляторов или на электрохимические энергоустановки (электромобиль).

10.2. Загрязнение водного бассейна

Водную оболочку Земли называют гидросферой. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод. Гидросфера - самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10-3 % общей массы Земли.

Роль воды во всех жизненных процессах общепризнанна. Без вода человек может жить не более 8 суток, за год он потребляет около 1 т воды. Количество пресной воды составляет всего 2,5 % всей воды на планете. Запасы пресной воды распределены крайне неравномерно: 72,2 % - льда; 22,4 % - грунтовые воды; 0,35 % - атмосфера; 5,05 % - устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать, приходится всего 10-2 % всей пресной воды на земле.

Из-за хозяйственной деятельности человека большое количество вредных компонентов сбрасывается в водные бассейны. Основными причинами загрязнения гидросферы являются сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод.

Сточной водой называется такая вода, которая была использована на производственные или бытовые нужды, получила загрязнения, которые изменили ее свойства, и подлежит очистке или удалению с данного объекта или населенного пункта. Состав сточных вод отличается исключительным разнообразием и зависит от типа производства. В сточных водах могут содержаться токсичные вещества, такие как цианиды, соединения мышьяка, селена, ртути, свинца, кадмия.

Сточные воды характеризуются рядом таких технологических показателей, как содержание нерастворимых и растворимых примесей БПК, окисляемость, рН, жесткость, кислотность, общее содержание солей и др.

Так как состав вод весьма разнообразен, то и разнообразны и методы их очистки. Все методы воздействия на примеси можно подразделить на две группы: деструктивные и регенеративные. При деструктивных методах примеси разрушаются и выводятся из воды в виде газов или остаются в воде в обезвреженном состоянии. При регенеративных способах примеси извлекаются и передаются для использования. Применение того или иного метода определяется экономическими соображениями.

Практически всегда очистка промышленных стоков - это комплекс методов. Наиболее широко используется комбинация механической очистки, нейтрализации промышленных стоков или реагентной очистки, и биохимической очистки. Эти операции осуществляются практически во всех комплексах очистных сооружений, в том числе и на станциях аэрации при очистке бытовых (канализационных) стоков.

Наиболее целесообразным способом уменьшения загрязнения сточными водами - создание замкнутых водооборотных систем.

10.3. Загрязнение поверхности земли

Основные виды загрязнения поверхности земли - твердые бытовые и промышленные отходы. На одного жителя в городе в среднем приходится в год примерно по 1 т твердых отходов, причем эта цифра ежегодно увеличивается.

17

В последние годы значительно возросли масштабы переработки минеральных ресурсов, что привело к миграции и рассеиванию различных элементов, в том числе тяжелых металлов. Из 77 металлов периодической системы 52 вовлечены в сферу человеческой деятельности, причем не менее 20 из них токсичны и таят серьезную опасность для живых организмов.

На планете каждый год появляется не менее 100 млрд. т производственных отходов. Это горные породы, отвалы производств цветных и черных металлов, шлаки и огарки домен, тепловых станций, печей, отходы химической и других отраслей промышленности и др. Эти отходы занимают площади плодородной земли, попадают в виде пыли в атмосферу и, растворяясь, поступают в гидросферу. Таким образом, они экологически опасны. Поэтому имеется настоятельная потребность в переработке отходов.

Отходы многих производств содержат ценные компоненты. В отвалах производств черных металлов имеются титан, никель, кобальт, медь, золото, платина и другие металлы. Золи углей и горючих сланцев содержат германий, молибден, ванадий, рений, серебро, золото и другие элементы. Поэтому при переработке этих отходов можно получить большое количество ценных компонентов.

Отходы многих производств могут быть использованы как сырье для получения строительных материалов.

Однако более радикальным путем решения проблемы является создание безотходных производств, в которых отходы одних технологий служат сырьем для других технологий. Но создание экономически приемлемых безотходных и малоотходных производств находится еще в начале пути.

Контрольные вопросы и задачи

1. Каковы различия естественных и искусственных источников загрязнения окружающей среды?

2. Назовите основные источники загрязнения атмосферы и гидросферы.

3. Что такое малоотходные и безотходные технологии? Приведите конкретные примеры.

4. Рассчитайте годовую потребность в Са(ОН)2 для нейтрализации SO2 на ТЭС мощностью 1000 МВт, работающей на мазуте, если годовой выброс тепловой электростанции 52,66 тыс. т SO2.

5. Предложите наиболее эффективные способы очистки газовых выбросов, сточных вод.

Рекомендуемый библиографический список

1. Общая химия / Под ред. . - Л.: Химия. 2003.

2. Задачи и упражнения по общей химии. - М.: Интеграл-пресс, 2002.

3. Общая химия. - М.: Высшая школа, 1998.

4. , , Общая химия / Под ред. . - М.: Изд-во МГУ.

5. Курс химии. Пособие для самостоятельной работы. – Владикавказ, 2000.

6. , Общая химия.- СПб.: Химия, 1997.

7. Общая химия / Под ред. . - М.: Высшая школа, 2000.

8. Неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1989.

9. Курс химии. - М.: Высшая школа, 1985.

10. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 1998.

11. , , Неорганическая химия в вопросах. - М.: Химия, 1991.

АлихановВладимир Антипович

¨

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ХИМИИ

¨

Учебное пособие

¨

Редактор

Технический редактор

Сдано в набор 05.06.2004. Подписано в печать 12.11.2004. Формат 60´901/16. Бумага офсет. № 2. Объем 16,25 усл. п. л. Гарнитура шрифта «Тimes cyr». Тираж 500 экз. Заказ № . Подразделение оперативной полиграфии СКГМИ.

4.

 

,

Курс лекций

по химии

Владикавказ 2005