- •Основы современного естествознания введение
- •Раздел 1. Тематический план дисциплины
- •Раздел 2.
- •Краткий курс лекций
- •Лекция 1.
- •Естествознание в мировой культуре
- •1. Предмет, задачи, структура курса «Основы современного естествознания».
- •2. Естествознание в системе форм общественного сознания.
- •3. Философия, математика, гуманитарные и естественные науки и их объекты
- •4. Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Специфика и взаимосвязь естественнонаучного и гуманитарного типов культур
- •5. Проблема постнеклассического межкультурного диалога естественных и гуманитарных наук
- •Лекция 2. Особенности физического описания реальности Современные представления о движении, пространстве и времени.
- •1. Идеальные образы объектов реального мира (твердое тело, материальная точка, частица, вакуум, среда, поле, вихрь, волна)
- •2. Физические характеристики идеальных объектов и представление о способах их описания ( масса; заряды и их действие на расстоянии; заряды как источники полей; «свободные» поля, суперпозиция полей)
- •3. Единицы физических величин
- •Лекция 3. Современные представления о движении, пространстве и времени
- •1. Движение и его виды. Относительность движения
- •2. Законы сохранения и их роль в формировании научной картины мира (законы сохранения энергии, импульса и момента импульса)
- •3. Пространство и время как основные свойства материи
- •Лекция 4. Понятие теплоты и термодинамический способ описания действительности
- •1. Термодинамические системы и их макроскопические храктеристики
- •2. Теплота и механическая работа (закон сохранения энергии)
- •3. Обратимые и необратимые процессы. Равновесное состояние и флуктуации. Закон возрастания энтропии
- •4. Неравновесные системы и их характеристики
- •Реакция Белоусова-Жаботинского
- •5. Бифуркации и аттракторы. Спонтанная самоорганизация в природе и обществе
- •Лекция 5. Квантовые представления о строении вещества и физическая Вселенная
- •1. Квантовые представления о строении вещества (фотоэффект и эффект Комптона, опыты по дифракции электронов и фотонов).
- •2. Современные представления о строении атома (волновые свойства атомов и молекул; лазерное излучение)
- •3. Соотношение неопределенностей и квантово-волновой дуализм
- •4. Представление об элементарных частицах и их взаимодействии. Ядерные взаимодействия. Атомная и термоядерная энергетика
- •5. Квантовая инженерия в наномире
- •Лекция 6. Элементарные частицы и физический эксперимент
- •1. Современные ускорители
- •2. Рождение и аннигиляция элементарных частиц
- •3. Виды взаимодействий элементарных частиц
- •4. Теория кварков
- •Лекция 7. Элементы современной космологии (физическая Вселенная)
- •1. Космические объекты и методы их исследования
- •2. Солнечная система в мире галактик
- •3. Модель Большого взрыва
- •4. Звезды и их эволюция
- •5. Земля в свете антропного принципа
- •Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
- •Географическая оболочка Земли
- •Лекция 8. Система современного химического знания
- •1. Химия как наука, современная химическая картина мира (структурные уровни организации материи с точки зрения химии).
- •2. Основные понятия и законы химии (периодический закон и его значение)
- •3. Классификация химических веществ
- •§ 2. Теория строения органических соединений
- •§ 3. Классификация органических соединений
- •§ 4. Высокомолекулярные соединения (полимеры)
- •4. Теория химического строения вещества. Взаимосвязь между строением, свойствами и реакционной способностью вещества
- •Лекция 9. Растворы. Химическая идентификация
- •1. Растворы и их особенности
- •2. Химическая идентификация
- •3. Химические процессы (реакции)
- •4. Химия экстремальных состояний
- •Лекция 10. Современная химия: экономический и социальный аспекты
- •1. Масштабы современного химического производства
- •2. Проблемы сырьевых ресурсов и химия
- •Металлы и их коррозия
- •3. Химические процессы и материалы (традиционные материалы - дерево, стекло, керамика; применение металлов и сплавов, силикатных материалов, полимеров, биологически активных веществ)
- •6.11. Традиционные материалы с новыми свойствами
- •Синтетические материалы.
- •4. Материалы для создания носителей информации. Химия и нанотехнологии
- •5. Химико-энергетические процессы в природе и технике (альтернативные виды топлива, «зеленая химия»)
- •Аккумуляторы для сотовых телефонов. Эффект памяти
- •А теперь подведем итоги.
- •Лекция 11. Роль химии в современном обществе
- •1. Экологические и социальные аспекты химии
- •2. Проблема переработки вторичных ресурсов
- •3. Химия и окружающая среда
- •4. Защита биосферы от химических загрязнений
- •5. Роль химии в решении проблем устойчивого развития цивилизации
- •Лекция 12. Особенности современного биологического знания и его эволюция
- •1. Биология как наука и особенности биологического познания мира
- •2. Фундаментальные и частные биологические теории
- •3. Традиционный, физико-химический, эволюционный и биоинженерный периоды развития биологии. Основные достижения биологии в эти периоды
- •4. Генетическая революция в биологии
- •5. Синергетическая теория эволюции (глобальная эволюция)
- •6. Этические проблемы современной биологии
- •Лекция 13. Современные концепции происхождения и сущности жизни
- •1. Феномен жизни и его исследование
- •2. Отличительные особенности живой и неживой материи
- •3. Основные концепции происхождения жизни
- •5. Идея трансформации биосферы в ноосферу и глобальный эволюционизм
- •Лекция 14. Концепция структурных уровней организации живой материи
- •1. Уровни организации живой природы: молекулярно-генетический, онтогенетический, надорганизменный (популяционно-видовой), популяционно-биоценотический (биогеоценотический)
- •2. Биосферный уровень организации живой материи
- •3. В.И. Вернадский о роли «живого вещества»
- •4. Материальные основы появления жизни на Земле
- •Концепция происхождения живого по гипотезе Опарина-Холдейна
- •5. Возникновение и роль многоклеточных организмов в формировании биосферы Земли Лекция 15. Человек, его место и роль в едином социоприродном комплексе
- •1. Человек как единство биологического, социального и духовного. Генезис человека
- •2. Факторы, закономерности и этапы антропосоциогенеза
- •3. Культура как фактор регуляции (агрессии) человека
- •4. Социобиология и проблема геннокультурной коэволюции
- •5. Биологические предпосылки возникновения социальности человека. Роль социальных факторов в становлении человека
- •4. Перспективы исследования космобиосоциальной сущности человека в современной биологии
- •Биокатализ
- •Генные технологии
- •8 8. Проблемы клонирования
- •2. Достижения и возможные негативные последствия биотехнологий
- •3. Поиск путей развития общества, сохраняющих целостность природы Глава 11 гармония трудовой деятельности людей и природы
- •11.1. Обновление энергосистем
- •11.2. Промышленность, автотранспорт и окружающая среда
- •11.3. Города и природа
- •11.4. Решение проблем утилизации
- •11.5. Перспективные материалы, технологии и окружающая среда
- •4. Ресурсы биосферы и демографические проблемы
- •Лекция 17. Социальное измерение современного естествознания
- •1. Роль научного знания на современном этапе развития общества
- •2. Нелинейное освоение культурой результатов научной деятельности
- •3. Наука и сми
- •5.4. Экологические проблемы сегодня
- •4. Естествознание как основа современных технологий
- •5. Проблема моделирования социокультурных явлений
- •Раздел 3.
- •Семинар 2 . Взаимодействие естественнонаучного и гуманитарного знания
- •Семинар 4. Концепции термодинамики
- •Семинар 5 . Квантовые представления о строении вещества и физическая Вселенная
- •Семинар 6 . Элементарные частицы и физический эксперимент
- •Семинар 7 . Элементы современной космологии (физическая вселенная)
- •Раздел 2. Химия в контексте устойчивого развития общества Семинар 8. Система современного химического знания
- •Семинар 9 . Растворы. Химическая идентификация
- •Семинар 10. Современная химия: экономический и социальный аспекты
- •Семинар 11. Роль химии в современном обществе
- •Раздел 3. Специфика, структура и проблемное поле современного биологического познания Семинар 12 . Особенности современного биологического знания и его эволюции
- •Семинар 13 . Современные концепции происхождения и сущности жизни
- •Семинар 14. Концепция структурных уровней организации живой материи
- •Семинар 15. Человек, его место и роль в едином социоприродном комплексе
- •Семинар 16 . Социальный аспект биологического познания
- •Заключение. Социальное измерение современного естествознания Семинар 17. Перспективы развития естествознания и гуманитарных наук в 21 веке
- •3.2. Перечень вопросов к экзамену (зачету)
- •3.3. Учебно-методические материалы по дисциплине
Металлы и их коррозия
В природе металлы встречаются в свободном состоянии и в виде соединений. В свободном состоянии существуют химически малоактивные, трудно окисляемые кислородом металлы: платина, золото, серебро, ртуть, медь и др.
Большинство металлов в природе встречаются в виде руд, т.е. горных пород, в которых находятся соединения металлов. Главным образом руды представляют собой химические соединения в виде оксидов: красный железняк, бурый железняк, боксит и др.
Металлы имеют свои отличительные свойства как физические, так и химические. К физическим свойствам относятся – цвет, электропроводность, плотность, теплопроводность, температура плавления.
На основе различных металлов получают их сплавы - это твердые или жидкие однородные растворы металлов. Свойства сплавов могут существенно отличаться от свойств составляющих его элементов.
К химическим свойствам металлов относятся – по-разному реагируют с кислородом, некоторые металлы хорошо реагируют с водой.
Самопроизвольное разрушение металлических и других конструкционных материалов под химическим воздействием окружающей среды называется коррозией (от латинского korrosio – разъедание). Коррозия представляет собой гетерогенный окислительно-восстановительный процесс, протекающий на границе раздела фаз: металл – окружающая среда. Металл окисляется, а химические компоненты окружающей среды восстанавливаются.
По механизму коррозийного процесса различают два вида коррозии – химическую и электрохимическую. Химической коррозией называют разрушение металла в окружающей среде без возникновения электрического тока в системе. В этом случае металл взаимодействует с агрессивными газами (газовая коррозия) или жидкими неэлектролитами (нефть, нефтепродукты и др.).
Газовой коррозии подвергаются все металлические элементы машин и механизмов различного типа. К агрессивным газам относят галогены (фтор, бром, иод, хлор), двуокись углерода, двуокись серы, водород, атмосферный воздух и др.
В результате газовой коррозии возникают различные продукты. Чаще всего это оксиды металлов, представляющие собой прочную пленку, плотно сцепленную с поверхностью металла. Встречается и рыхлая структура оксидов, которая еще больше способствует разрушающим действиям коррозии.
Наиболее распространенным видом коррозии металлов является электрохимическая коррозия, которая представляет собой процесс разрушения металлов в среде электролита с возникновением в системе электрического тока. Электрохимической коррозии подвержены все конструкционные материалы, эксплуатация которых осуществляется в неблагоприятных естественных условиях: в морских или грунтовых водах, в растворах кислот или щелочей, в атмосфере.
Причиной коррозии являются химические реакции окислительно-восстановительного характера. Особенно активно они протекают в случае электрохимической коррозии металлов при наличии электрического тока. Теория коррозии рассматривает процесс разрушения металлов в растворах электролитов как совокупность двух самостоятельных процессов – анодного и катодного.
Анодный процесс – это переход металла в раствор в виде гидратированных ионов, в результате чего на поверхности металла остается эквивалентное число свободных электронов. Катодный процесс представляет собой ассимиляцию появившихся в металле электронов атомами или ионами электролита, которые выполняют роль деполяризатора. Деполяризация обуславливает непрерывное протекание анодного и катодного процессов, т.е. постоянное разрушение металла. Следовательно создается механизм коррозии, состоящий из ряда гальванических микроэлементов на поверхности металла, которая имеет определенные неоднородности.
Масштабы потерь от коррозии металлов носят значительный характер в условиях современной экономики. Согласно экспертным оценкам Россия ежегодно теряет в результате коррозии около 7 млн. тон металла. Существенный ущерб промышленности наносят процессы старения и изнашивания оборудования под влиянием коррозии. Часто экономически не выгодно осуществлять ремонты оборудования из-за превышения затрат по отношению к его стоимости. Поэтому борьба с коррозией считается одной из важнейших проблем современной экономики.
В настоящее время применяют различные способы борьбы с этим явлением. Наибольшее распространение получили химические способы, связанные с поверхностными покрытиями металлов, протекторной защитой, электрозащитой, воздействием на агрессивную среду.
Защитные покрытия изолируют материалы от агрессивных сред и могут быть как металлическими, так и неметаллическими.
В качестве металлических покрытий используют медь, олово, цинк, никель, хром, тантал и др. металлы. В отдельных случаях используют драгоценные металлы – золото, платину или серебро. В соответствии со своим местом в гальванической паре металлические защитные покрытия выполняют роль анода. Примером могут служить металлы покрытые цинком. В этом случае даже небольшие повреждения поверхности защитного слоя не приводят у усилению коррозийных процессов.
В тех случаях когда защитный слой металла является катодом (например, покрытие слали оловом) при незначительных нарушениях слоя коррозия может протекать быстро. Но луженые предметы могут использоваться в пищевой промышленности, потому что они не являются ядовитыми в отличие от оцинкованных или покрытых свинцом. Все банки для консервирования продуктов выполнены из луженых материалов.
Широкое применение находят также лакокрасочные покрытия, а также эмали, масла, воск, битум и др.
Используются и электрохимические приемы защиты – это протекторная и электрозащита. Протекторная защита основана на том, что анодом (протектором) служит более активный металл или сплав с более отрицательным потенциалом, чем потенциал защищаемой конструкции. Соединенные проводом с конструкцией протекторы в процессе эксплуатации изнашиваются, предохраняя от коррозии материал конструкции. Электрозащита отличается от протекторной тем, что защищаемую конструкцию искусственно делают катодом, присоединяя в внешнему источник у электрического тока. И в соответствии с особенностями материала конструкции подбирают оптимальное напряжение, которое необходимо в дальнейшем поддерживать постоянным.
Данные способы применяют для защиты от коррозии подземных водопроводных сетей и других гидротехнических металлоконструкций.
Для замедления коррозии металла используют различные способы воздействия на агрессивную среду. Одним из является введение в агрессивную среду ингибиторов(силикаты, хроматы, фосфаты, нитраты и др.). Существуют и органические ингибиторы – уротропин, формальдегид, эфиры и кислоты. Защитное действие ингибиторов связано с процессами окисления поверхности металлов, образованием пленок малорастворимых соединений или с адсорбционными явлениями.
Минеральные удобрения также представляют собой природные ресурсы, которые в современных условиях играют важную роль в обеспечении экономической деятельности человека.
С точки зрения современной химии около 60 химических элементов принимают участие в развитии растительного мира. При этом в наибольшем количестве востребованы углерод, кислород и водород. Отсутствие или недостаток в растениях отдельных элементов приводит к нарушению их развития и гибели.
Поступление химических веществ в растения осуществляется различными путями – часть поступает из почвенных растворов (почвы), а часть – из воздуха. Питательные элементы вместе с растениями удаляются из почвы и переходят в неусвояемую форму. Происходит не только связывание элементов, но и естественные процессы, которые обеспечивают частичное возвращение химических элементов в почвы и воздух. Учитывая медленность протекания этих процессов, необходимо отметь постепенное снижение содержания необходимых химических элементов в почвах. Для поддержания нормальных условий роста растений возникает необходимость внесения в почву химических элементов в виде удобрений, важнейшими из которых являются минеральные.
Минеральные удобрения – это соли, содержащие элементы, необходимые для развития растений и используемые в целях получения оптимальных урожаев.
В нашей стране роль минеральных удобрений особенно велика, поскольку почвы Беларуси подзолистые и обеднены питательными веществами.
В настоящее время налажено производство минеральных удобрений в Солигорске, где работает мощный калийный комбинат. В г. Гродно осуществляется производство аммиачной селитры, аммиака, карбамида, а в г. Гомеле суперфосфатный завод производит серную кислоту и другие химические соединения неорганического типа.
По видам питательных элементов минеральные удобрения делятся на азотные, фосфорные, калийные, борные и т.д. Все минеральные удобрения по составу разделяют на простые, содержащие один питательный элемент; сложные вещества, в состав которых входят несколько питательных элементов в веществе, полученном путем химических реакций; смешанные, представляющие собой механические смеси удобрений из разнообразных частиц.
Фосфорные удобрения представляют собой природные фосфорные руды или продукты их химической переработки. Сырьем для получения фосфорсодержащих минеральных удобрений служат фосфорные руды – апатиты. В зависимости от типа переработки различают фосфоритную муку, простой суперфосфат, двойной суперфосфат и преципитат.
Фосфоритная мука – это природный измельченный фосфорсодержащий минерал. Он представляет собой порошок серого, желтоватого или бурого цвета, не гигроскопичен, не слеживается. Фосфоритная мука относится к трудноусвояемому удобрению, плохо растворяется в воде, обладает продолжительным действием.
Простой суперфосфат получают разложением природных фосфатов серной кислотой. Его выпускают в виде порошкообразного ненейтрализованного продукта, гранулированного продукта, аммонизированного продукта. Принцип получения простого суперфосфата заключается в переводе нерастворимой соли ортофосфорной кислоты, находящейся в составе минерала кальцийфторапатита, в растворимые кислые соли.
Простой суперфосфат используется на любых почвах и пригоден для широко круга растений. Недостатком этого удобрения является большое количество в нем балласта в виде гипса.
Двойной суперфосфат – это концентрированное фосфорное удобрение, получаемое путем разложения природных фосфатов фосфорной кислотой. Данный тип удобрения содержит в несколько раз больше усвояемого фосфора, чем простой суперфосфат. Использование двойного суперфосфата более экономично из-за превосходства по ряду свойств по сравнению с удобрениями другого типа.
Производство двойного суперфосфата состоит из двух стадий: получение фосфорной кислоты; разложение природного фосфорсодержащего сырья фосфорной кислотой.
Преципитат может существовать в виде монетита или брушита. Преципитат обладает высокой концентрацией усвояемого фосфора, эффективностью для большинства растений, пригодностью для всех типов почв.
Производство состоит из двух стадий: получение раствора фосфорной кислоты; осаждение гидрофосфата кальция.
Азот играет особую роль в питании растений. Он входит в состав хлорофилла и белков. Растения усваивают азот, содержащийся в почве в виде минеральных солей. Только некоторые растения (например, бобовые) могут усваивать азот из воздуха. В качестве основных можно назвать – нитрат, сульфат и хлорид аммония; калиевая, натриевая и кальциевая селитры; мочевина.
Нитрат аммония (аммиачная селитра) – это наиболее эффективное азотное удобрение, содержащее до 35% азота в различных формах. Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде и гигроскопична. Получают аммиачную селитру путем нейтрализации азотной кислоты сухим аммиаком
Сульфат аммония содержит около 20% азота и представляет собой бесцветный кристаллический порошок. Получение сульфата аммония осуществляется следующими способами:
Поглощением серной кислотой аммиака газов коксовых печей,
Нейтрализацией серной кислоты синтетическим аммиаком.
Обработкой гипса растворами карбоната аммония по реакции ____________________________________________________________.
Мочевина (карбамид) представляет собой ценное удобрение, содержащее до 46% азота в хорошо усвояемой форме. Данное удобрение – это кристаллическое вещество, хорошо растворяемое в воде, мало гигроскопично.
Мочевина используется не только как удобрение, но и как пищевая добавка в случае бедного белками корма для животных. Кроме того мочевину используют в промышленности для получения мочевиноформальдегидной смолы, которую применяют в процессах получения искусственных материалов (древесностружечных плит, пластмасс, фармацевтических препаратов и др.).
В настоящее время мочевину получают из аммиака и оксида углерода. Синтез мочевины осуществляется в две стадии:
1) идет непосредственное соединение реагентов с образованием карбамата аммония;
2) затем карбамат аммония отщепляет воду и превращается в мочевину.
Синтез мочевины протекает при температуре 185-200 С. Полученный раствор мочевины выпаривают и подвергают грануляции. В качестве сырья на азотнотуковых заводах используют газ (метан) и воздух.
Калий один из широко распространенных элементов в природе. Он встречается в виде минерального сырья – сильвин, сильвинит, карналлит, каинит, лангбейнит, шенит, нефелин и др.
Калийные удобрения играют важную роль в жизни растений, они обеспечивают их водный режим, способствуют обмену веществ, обеспечивают образование углеводов.
Важнейшими калийными удобрениями являются – хлорид и сульфат калия.
Хлорид калия – это белое мелкозернистое вещество. В качестве минерального удобрения используется 95% добываемого минерала.
Сульфат калия получают путем взаимодействия хлорида калия с сернокислым магнием. Он имеет меньшую растворимость, чем хлорид магния, и выпадает в осадок. Затем раствор разделяют и высушивают сульфат калия.
Установлено, что для оптимального роста и развития растений необходимы химические элементы, содержание которых в растениях не превышает долей процента. Эти элементы получили название микроэлементов, а удобрения их содержащие – микроудобрений.
К микроэлементам относятся бор, марганец, медь, цинк, молибден, кобальт, иод и др.
Стратегическим природным ресурсом является нефть, которая представляет собой сложную смесь органических веществ, главным образом углеводородов. Она может содержать в себе не только жидкие, но и растворенные твердые и газообразные вещества.
Состав нефти во многом определяется месторождением. Независимо от своего химического состава нефть является эффективным топливом и ценным сырьем для синтеза химических волокон, пластмасс, каучуков и других продуктов. Наиболее распространенной технологией переработки нефти является нефтефракционная перегонка. Первый прогон нефти – это фракция сырого бензина (температура кипения до 200о С). При разгонке сырого бензина получают эфир и различные сорта бензина. При температуре 150-300о С из нефти отделяется фракция керосина, после этого процесса остается мазут, используемый в качестве котельного топлива.
Пи дальнейшей перегонки из мазута при температуре выше 300о С отгоняются соляровое и смазочное масла: веретенное, цилиндровое, машинное. После переработки мазута остается гудрон, который используется в дорожном строительстве в качестве покрытия.
Самым ценным продуктом переработки нефти является бензин, который в количестве 20% получается в процессе прямой перегонки нефти. Растущие потребности в данном виде топлива привели к разработке новых технологий, позволяющих получать до 80% бензина. Это достигается при помощи крекинга нефти, суть которого состоит в расщеплении больших молекул нефти на более мелкие под влиянием температуры.
Крекинг впервые был предложен русским ученым В.Г. Шуховым в 1891 г. и несколько позже (1916 г.) американскими учеными.
Различают несколько видов крекинга – термический крекинг, каталитический крекинг.
Крекинг позволяет также получать ценные газообразные вещества – этилена, который затем используется в различных химических производствах.