Содержание
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ3
1.Синтез химических веществ4
1.1. Управление химическими процессами4
1.2. Синтез органических и неорганических соединений7
2. Общие тенденции развития современной химии10
3. Плазмохимия12
4. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез14
5. Химические реакции при высоких давлениях17
6 . Процессы получения твердых веществ с участием18
газофазных реакций18
6.1. Синтез алмазов19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ23
Литература24
В данной работе рассматриваются основные тенденции развития современной химии, ее приоритетные направления в конце двадцатого и начале двадцать первого веков. Работа состоит из нескольких подразделов, где анализируются более подробно некоторые аспекты развития химии в двадцать первом веке; в частности в данной части присутствуют такие подразделы, как плазмохимия, синтезы твердых веществ. Приводятся также области применения данных новых направлений.
ВВЕДЕНИЕ
Химия — наука социальная. Её высшая цель удовлетворять нужды каждого человека и всего общества. Многие надежды человечества обращены к химии. Молекулярная биология, генная инженерия и биотехнология, наука о материалах являются фундаментально химическими науками. Прогресс медицины и охраны здоровья — это проблемы химии болезней, лекарств, пищи; нейрофизиология и работа мозга — это, прежде всего нейрохимия, химия нейромедиаторов, химия памяти. Человечество ждёт от химии новых материалов с магическими свойствами, новых источников и аккумуляторов энергии, новых чистых и безопасных технологий, и т.д.
Актуальность темы состоит в том, что синтез новых химических соединений и разработка новых методов синтеза — это важная проблема химии, представляющая большой интерес и для физики, биологии, геологии, медицины, а также различных технических наук. К настоящему времени количество химических соединений, сведения о которых можно найти в научной литературе, превысило 10 млн. Синтезы новых соединений и поиски новых методов синтеза продолжаются.
Цель данной работы показать необходимость синтеза веществ для современных технологий.
1.СИНТЕЗ ХИМИЧЕСКИ ВЕЩЕСТВ
Управление химическими процессами
Современ¬ное учение о химических процессах включает фунда¬ментальные знания многих отраслей естествознания и прежде всего физики, химии, биологии и др. Стремле¬ние ученых создать лаборатории живого организма, где можно было бы воспроизводить химические про¬цессы в биологических системах, свидетельствует о не¬обходимости органической взаимосвязи разных есте¬ственно-научных отраслей.
Наш соотечественник, лауреат Нобелевской пре¬мии по химии 1956 г., выдающийся химик Н.Н. Семе¬нов (18961986), создавший общую теорию цепных реакций и основавший химическую физику, считал себя физиком. Он полагал, что химический процесс нельзя рассматривать без восхождения от таких про¬стых объектов познания, как электрон, нуклон, атом и молекула, к живой биологической системе, ибо любая клетка любого организма представляет собой, по су¬ществу, сложный химический реактор. В этой связи любой химический процесс это переходной мост между физическим и биохимическим объектами.
Одно из важнейших направлений учения о свой¬ствах вещества создание методов управления хими¬ческими процессами. Успехи в развитии современной химии во многом определяются эффективностью уп¬равления химическими превращениями, повышению которой способствует внедрение новых эксперимен¬тальных методов с применением современных техни¬ческих средств контроля и анализа сложных молекуляр¬ных структур. Химическое превращение начинается со смешивания реагентов и заканчивается образованием конечных продуктов. В большинстве случаев оно вклю¬чает ряд промежуточных стадий, и для полного пони¬мания механизма реакции нужны сведения о свой¬ствах промежуточных веществ, образующихся на каж¬дой стадии, протекающей, как правило, очень быстро. Если 20 30 лет назад технические средства экспери¬мента позволяли проследить за промежуточными мо¬лекулами со временем жизни около одной миллионной доли секунды, то современные лазерные источники из¬лучения существенно расширили временной диапазон исследований от 10-6 до 10-15 с.
При взаимодействии двух химических соединений образование продуктов реакции определяется статис¬тической вероятностью, зависящей от исходного энер¬гетического состояния, возбуждения и взаимной ори¬ентации молекул при столкновениях, в которых при¬нимают участие молекулы реагирующих соединений. Современная вакуумная техника открывает новые воз¬можности для взаимодействия реагирующих соедине¬ний при столкновении молекул. В глубоком вакууме, где длина свободного пробега молекул велика, столк¬новение молекул может происходить в сравнительно небольшом объеме, составляющем зону перекрытия двух молекулярных пучков реагирующих соединений, в которой возрастает вероятность участия каждой мо¬лекулы не более чем в одном столкновении, приводя¬щем к реакции. Это означает, что появилась реальная возможность для изучения тонких процессов и управ¬ления химическими превращениями.
Определение характеристик атомных и молекуляр¬ных частиц (их структуры и состава) в аналитической химии называют качественным анализом, а измерение их относительного содержания количественным анализом. Новые методы качественного и количествен¬ного анализа основываются на последних достижени¬ях различных отраслей естествознания и, в первую очередь, физики. Методы аналитической химии широ¬ко применяются в разных отраслях химии, в медици¬не, сельском хозяйстве, геологии, экологии и т. п.
Для количественного анализа исследуемые слож¬ные смеси и соединения делятся на компоненты. Для этого применяется универсальный метод хромато¬графия. Его сущность заключается в том, что различные вещества в жидкой или газообразной фазе обладают разной прочностью связи с поверхностью, с которой они находятся в контакте. С помощью хроматографии мож¬но разделить и зафиксировать чрезвычайно малое ко¬личество вещества в смеси около 10~ 12г. Кроме того, хроматография позволяет разделить многокомпонент¬ные газообразные смеси, содержащие вещества раз¬ного изотопного состава.
Для анализа и идентификации структуры сложных молекул, объединяющих большое количество атомов с различными взаимными связями, широко применяют¬ся основанные на физических принципах эксперимен¬тальные методы ядерного магнитного резонанса, оп¬тической спектроскопии, масс-спектроскопии, рентге-ноструктурного анализа, нейтронографии и т. п.
В управлении химическими процессами важную роль играют предварительые расчеты, позволяющие определить свойства синтезируемых молекул. Еще в первой половине XX в. с развитием квантовой теории появилась возможность рассчитывать взаимодействие электронов и атомных ядер при химических реакциях. Однако на практике такие расчеты долго оставались недостижимыми: уж слишком сложны уравнения кван¬товой механики для комплексных объектов молекул и даже атомов с множеством движущихся электронов. Решение подобной задачи стало возможным при учете электронной плотности, а не движения отдельных элек¬тронов в молекуле или атоме. Такой подход позволяет рассчитывать свойство и структуру даже весьма слож¬ных молекул, например белковых. За решение данной задачи квантовой химии австрийский физик Вальтер Кон и английский математик и физик Джон Попл (оба ученых работают в США) удостоены в 1998 г. Нобелев¬ской премии по химии.
Выдержка из текста работы
За многие миллионы лет природа накопила богатейшие запасы углерода в виде угля, нефти и природного газа. Сейчас эти ископаемые используются человечеством для получения энергии и химических продуктов. В конце прошлого — начале нынешнего века большинство продуктов органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее энергоемкими методами. Однако оценка разведанных мировых запасов различных видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что месторождения нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны уже в первые десятилетия. Поэтому очень важно найти такое альтернативное нефти сырье для производства основных продуктов нефтехимии.
В своей работе я бы хотела исследовать возможность применения синтез — газа в виде альтернативного нефти сырья. И его роль в современной химической технологии.
Способы получения синтез газа
Источники получения синтез — газа и основные направления его использования (см. Приложение №1).
В настоящее время существует три основных промышленных метода получения синтез — газа.
Первым способом получения синтез — газа была газификация каменного угля, которая была осуществлена еще в 30-е годы XIX века в Англии с целью получения горючих газов.
Процесс основан на взаимодействии угля с водяным паром:
C + H2O - H2 + CO
Эта реакция является эндотермической, равновесие сдвигается вправо при температурах (900-10000С). Разработаны технологические процессы, использующие парокислородное дутье, при котором наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:
C + 1/2O2 > CO
Второй способ это конверсия метана. Эта реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni — Al2O3) при повышенных температурах (800-9000С) и давлении:
CH4 + H2O > CO + 3H2
В качестве сырья вместо метана может быть использовано любое углеводородное сырье.
И третий способ это парциальное окисление углеводородов. Процесс заключается в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 13000C.
CnH2n+2 +1/2nO2 > nCO + (n + 1)H2
Способ применим к любому углеводородному сырью, но наиболее часто в промышленности используют высококипящую фракцию нефти — мазут.
Соотношение СО : Н2 существенно зависит от применяемого способа получения синтез-газа. При газификации угля и парциальном окислении это соотношение близко к 1 : 1, тогда как при конверсии метана соотношение СО : Н2 составляет 1 : 3. В настоящее время разрабатываются проекты подземной газификации, то есть газификации угля непосредственно в пласте. Интересно, что эта идея была высказана Д.И. Менделеевым более 100 лет назад. В перспективе синтез-газ будут получать газификацией не только угля, но и других источников углерода вплоть до городских и сельскохозяйственных отходов.
Применение синтез — газа
Синтез-газ служит исходным сырьем для производства многих химических и нефтехимических продуктов, таких как метанол и другие оксигенаты, продукты синтеза Фишера-Тропша, а также используется для восстановления железной руды (см. Приложение №2).
Получение метанола
Метанол, один из основных продуктов многотоннажной химии, широко используется для получения множества ценных химических веществ: формальдегида, сложных эфиров, аминов, растворителей, уксусной кислоты. Мировое производство метанола превышает 20 млн. т в год, и спрос на него постоянно растет, что связано с наметившейся тенденцией использовать метанол в новых областях, например для получения высокооктановых бензинов, топлива для электростанций, как сырья для синтеза белка и т.д.
С этапами изучения химии метанола связаны имена величайших химиков. Впервые метанол был обнаружен еще в середине XVII века Робертом Бойлем при изучении продуктов перегонки дерева, однако в чистом виде метиловый спирт, или древесный, получаемый этим способом, был выделен только через 200 лет: тогда впервые удалось очистить его от примесей сопутствующих веществ, прежде всего уксусной кислоты и ацетона. В 1857 году Марселен Бертло получил метанол омылением хлористого метила. Процесс сухой перегонки древесины долгое время оставался, пожалуй, единственным способом производства метанола. Сейчас он полностью вытеснен каталитическим синтезом из оксида углерода и водорода. Получение метанола из синтез — газа впервые было осуществлено в Германии в 1923 году фирмой BASF Крупнейший в мире химический концерн. Штаб-квартира — в городе Людвигсхафене в земле Рейнланд-Пфальц на юго-западе Германии.. Процесс проводился под давлением 100-300 атм. на оксидных цинк-хромовых катализаторах (ZnO-Cr2O3) в интервале температур 320-4000С, производительность первой промышленной установки доходила до 20 т/сутки. Интересно, что в 1927 году в США был реализован промышленный синтез метанола, основанный не только на монооксиде, но и на диоксиде углерода. В настоящее время в результате развития и усовершенствования процесса получения метанола из синтез — газа используются реакторы большой мощности с производительностью до 2000 т метанола в сутки. Разработаны более активные катализаторы на основе оксидов цинка и меди, которые позволили смягчить условия синтеза — снизить давление до 50-100 атм., а температуру — до 2500C.
Суммарная реакция образования метанола:
CO + 2H2 - CH3OH
является сильно экзотермичной. Поскольку реакция протекает с уменьшением объема, повышение давления способствует увеличению конверсии синтез — газа.
Было предложено несколько механизмов образования метанола. Один из них предполагает ряд последовательных стадий гидрирования хемосорбированного на катализаторе монооксида углерода, при этом образуются промежуточные поверхностные соединения:
Второй механизм предполагает образование поверхностного гидрида, внедрение монооксида углерода в связь металл-водород с образованием поверхностного формильного производного, дальнейшее гидрирование которого приводит к образованию гидроксиметиленового производного, аналогичного приведенному в предыдущей схеме:
Согласно третьему механизму, СО внедряется в поверхностный гидроксил, при этом образуются промежуточные соединения, связанные с поверхностью катализатора через кислородный мостик. Последующее гидрирование образующегося формиата и дегидратация приводят к метанолу:
Следует отметить еще один экспериментально обоснованный механизм синтеза (А.Я. Розовский), согласно которому метанол образуется при восстановлении диоксида углерода. Монооксид углерода является лишь источником CO2:
CO + H2O = CO2 + H2
CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O
Как и во многих других случаях, однозначное установление истинных механизмов химических реакций представляет значительную трудность, и до сих пор в синтезе метанола имеются неразгаданные моменты.
Применение метанола
Химическая промышленность.
В данной индустрии метанол или метиловый спирт применяется как полупродукт большинства промышленных синтезов. Метанол вступает в реакцию со многими органическими соединениями, что позволяет производить на его основе различные органические вещества и полимеры. Наибольшее количество метанола (~ 50 %) уходит на производство формальдегида. Метанол является метилирующим агентом при производстве таких веществ как: метилметакрилат, диметилтерефталат, некоторые виды пестицидов. Метиловый спирт — это сырье для получения таких продуктов как метиламин (~ 9 % от всего выпускаемого метанола), уротропин, пентаэритрит. Он используют в производстве фотопленки, карбамидных, ионообменных, поливинилхлоридных смол, как растворитель в лакокрасочной промышленности. Большим спросом метанол стал пользоваться на аммиачных установках. Метиловый спирт применяется также для производства лекарственных средств, его добавляют к топливу, метанол может использоваться как топливо на электростанциях, выступать в роли заменителя бензина для автомобилей или применяться в смеси с бензином, метиловый спирт входит в состав ряда антифризов, там, где позволяют требования безопасности. В настоящее время метанол применяется в производстве метил-третбутилового эфира — МТБЭ, являющегося одной из широко применяемых октано-повышающих присадок к бензинам. Метиловый спирт востребован и в производствах лекарственных средств. Он используется для получения таких химикатов как карбофос, хлорофос, бромистого и хлористого метила.
Нефтеперерабатывающая промышленность.
В данной отрасли метанол востребован как селективный растворитель, который применятся для очистки бензина от меркаптанов Производные углеводородов, в которых атом водорода замещен сульфгидрильной группой — SH. Общая формула R—SH (например, C2H5SH — этилмеркаптан).. Метанол является азеотропным реагентом для выделения толуола в процессах его ректификации Процесс разделения бинарных или многокомпонентных смесей за счет противоточного массо- и теплообмена между паром и жидкостью.. Используется метиловый спирт в смеси с этиленгликолем для экстракции Метод извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью подходящего растворителя. толуола из бензина.
Прочие отрасли промышленности.
В других отраслях химической промышленности без метилового спирта не обходится производство уксусной кислоты, карбамидных смол, синтетических каучуков (~ 11% от общего объема). Метиловый спирт широко используется для очистки от вредных соединений азота, который содержится в сточных водах. Многими предприятиями ведутся исследования в области применения метанола как источника энергии, в качестве газового топлива, моторного топлива и как составляющего компонента автомобильного бензина. Автомобильный бензин благодаря добавке метанола обладает улучшенными антидетонационными свойствами, в результате добавления метанола повышается КПД двигателя, а также происходит снижение выбросов вредных веществ выхлопных газов.
В перспективе использование метанола возможно в различных химических генераторах электрической энергии (как носителя кислорода). Это направление только разрабатывается, и его разработка и внедрение технологий такого рода использования метанола следует ожидать на протяжении ближайших трех десятилетий. Но в тоже время полученные на сегодня опыты, результаты, научные разработки по использованию метанола, по мнению ученых, с уверенностью дают понять, что метанол — это топливо будущего.
Продукты синтеза Фишера — Тропша
Синтез Фишера-Тропша может рассматриваться как реакция восстановительной олигомеризации монооксида углерода, при которой образуются углерод — углеродные связи, и в общем виде она представляет собой сложную комбинацию ряда гетерогенных реакций, которую можно представить суммарными уравнениями:
nCO + 2nH2 = (CH2)n + nH2O,
2nCO + nH2 = (CH2)n + nCO2 .
Продуктами реакции являются алканы, алкены и кислородсодержащие соединения, то есть образуется сложная смесь продуктов, характерная для реакции полимеризации. Первичными продуктами синтеза Фишера-Тропша являются б- и в- олефины, которые превращаются в алканы в результате последующего гидрирования. Природа применяемого катализатора, температура, соотношение СО и Н2 существенно сказываются на распределении продуктов. Так, при использовании железных катализаторов велика доля олефинов, тогда как в случае кобальтовых катализаторов, обладающих гидрирующей активностью, преимущественно образуются насыщенные углеводороды. В настоящее время в качестве катализаторов синтеза Фишера-Тропша в зависимости от поставленных задач:
повышение выхода бензиновой фракции
увеличение выхода низших олефинов и др.
используются как высокодисперсные железные катализаторы, нанесенные на оксиды алюминия, кремния и магния, так и биметаллические катализаторы:
железо-марганцевые
железо-молибденовые и др.
За 70 лет с момента открытия синтеза не утихают споры по поводу механизма реакции. В настоящее время рассматриваются три различных механизма:
Первый механизм, называемый карбидным, впервые предложенный Фишером и Тропшем и в дальнейшем нашедший поддержку у других исследователей, предполагает образование С-С-связей в результате олигомеризации метиленовых фрагментов на поверхности катализатора. На первой стадии происходит адсорбция Поглощение газов, паров или жидкостей поверхностным слоем твёрдого тела (адсорбента) или жидкости. СО и образуется поверхностный карбид, а кислород превращается в воду или СО2:
На второй стадии поверхностный карбид гидрируется с образованием фрагментов СНx (х = 1-3):
Удлинение цепи происходит в результате реакции поверхностных метила и метилена и далее путем внедрения метиленовых групп идет рост цепи:
Стадия обрыва цепи происходит в результате десорбции Удаление из жидкостей или твердых тел веществ, поглощенных при адсорбции или абсорбции (объемное поглощение газов или паров жидкостью (абсорбентом) с образованием раствора). алкена с поверхности катализатора:
Второй механизм, названный гидроксикарбеновым, предполагает также гидрирование координированного на металле СО с образованием поверхностных гидроксикарбеновых фрагментов, в результате конденсации которых и происходит образование С-С-связей:
Третий механизм, который можно назвать механизмом внедрения, предполагает образование С-С-связей в результате внедрения СО по связи металл-углерод:
Накоплен достаточно богатый экспериментальный материал, свидетельствующий в пользу того или иного варианта механизма, однако приходится констатировать факт, что к настоящему моменту невозможно сделать однозначный выбор между ними. Можно предположить, что в связи с большой важностью синтеза Фишера-Тропша исследования в этом направлении будут интенсивно продолжаться, и мы станем свидетелями новых воззрений на механизмы протекающих реакций.
Гидроформилирование олефинов
Одним из наиболее важных примеров промышленных процессов с участием синтез-газа является реакция гидроформилирования (оксо-синтез). В 1938 году Релен, исследуя механизм синтеза Фишера-Тропша, открыл эту замечательную реакцию, значение которой трудно переоценить. В этом процессе алкены в присутствии катализаторов, главным образом кобальтовых или родиевых, при давлениях свыше 100 атм. и температурах 140-180°C взаимодействуют с синтез-газом и превращаются в альдегиды — важнейшие полупродукты в производстве спиртов, карбоновых кислот, аминов, многоатомных спиртов и др. В результате реакции гидроформилирования получаются альдегиды с прямой и разветвленной цепью, содержащие на один атом углерода больше, чем в исходной молекуле:
Наиболее ценными являются нормальные альдегиды, тогда как альдегиды изо-строения можно рассматривать как нежелательные побочные продукты. Мировое производство альдегидов по процессу гидроформилирования достигает 7 млн. т. в год, при этом около половины приходится на н-масляный альдегид, из которого получают н-бутиловый спирт. Альдольной конденсацией с последующим гидрированием получают 2-этилгексанол, используемый для производства пластификаторов поливинилхлорида.
В качестве катализаторов гидроформилирования наиболее широко используются карбонилы кобальта, в последнее время описано применение родиевых катализаторов, которые позволяют проводить процесс в более мягких условиях.
Механизм гидроформилирования можно наглядно представить в виде каталитического цикла (см. Приложение №3).
Заключение
Процесс освоения производства альтернативных видов топлива начался еще в предвоенной Германии. Она была лишена доступа к нефтяным источникам, вследствие чего назревал жесткий дефицит топлива, необходимого для функционирования мощной военной техники. Располагая значительными запасами ископаемого угля, Германия была вынуждена искать пути его превращения в жидкое топливо. Эта проблема была успешно решена усилиями превосходных химиков, из которых, прежде всего, следует упомянуть Франца Фишера и Ганса Тропша. При получении жидкого топлива на основе синтеза Фишера — Тропша разнообразные соединения углерода (природный газ, каменный и бурый уголь, тяжелые фракции нефти, отходы деревообработки) конвертируют в синтез-газ (смесь СО и Н2), а затем он превращается в синтетическую «сырую нефть» — синтнефть.
Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что роль синтез — газа в химической технологии неоспоримо велика. Из него можно получить основные продукты нефтехимии и для этого не придется использовать нефть, запасов которой осталось не так много, и природный газ. Также за последние годы в исследованиях в области синтезов на основе СО и Н2 достигнуты впечатляющие успехи.
Список использованной литературы
Караханов Э. А. «Что такое нефтехимия» Соросовский Образовательный журнал. 1996. № 2. С. 65-73.
Кузнецов Б. Н. «Новые подходы в химической переработке углей» Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 6. С. 50-58.
«Новая иллюстрированная энциклопедия», М., ООО «Мир Книги», Научное издательство «Большая российская энциклопедия» 2005г.
Шелдон Р. А. «Химические продукты на основе синтез — газа», Пер. с англ. М.: Химия, 1987г.
Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. «Газификация угля» / Пер. с нем. и ред. С. Р. Исламова — МЖ «Недра», 1986г.
Караваев М.М., Леонов Е.В., Попов И.Г., Шепелев Е.Т. «Технология синтетического метанола», М., 1984г.
Приложение №1
Источники получения синтез — газа и основные направления его использования
Приложение №2
Потребность в синтез — газе для мирового производства основных нефтехимических продуктов
|
Продукт |
Требуемое соотношение H2/CO, моль/моль |
Объем производства, т/год |
Потребность в синтез — газе, м3/ч (н.у.) |
|
|
Метанол |
2:1 |
160000-1275000 |
48000-1900000 |
|
|
Уксусная кислота |
0:1 |
275000-545000 |
18000-36000 |
|
|
Уксусный ангидрид |
0:1 |
90000 |
3500 |
|
|
Продукты оксосинтеза |
2:1 |
115000-275000 |
12000-25000 |
|
|
Фосген |
0:1 |
45000-160000 |
3500-12000 |
|
|
Муравьиная кислота |
0:1 |
45000 |
3500 |
|
|
Метилформиат |
0:1 |
9000 |
600 |
|
|
Пропионовая кислота |
0:1 |
45000-68000 |
2400-3500 |
|
|
Метилметакрилат |
1:1 |
45000 |
4700 |
|
|
1,4-бутандиол |
2:1 |
45000 |
4700 |
Приложение №3
синтез газ метанол гидроформилирование
Механизм гидроформилирования
Размещено на
