Методы описания ТС. Химическая модель

1.4.1 Химические модели

Кроме наблюдения и эксперимента в познании естественного мира и химии большую роль играет моделирование. Одна из главных целей наблюдения – поиск закономерностей в результатах экспериментов. Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях с помощью особых приборов, установок, предметов, т.е., моделей. В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаются несущественные для изучения. Так в химии модели условно можно разделить на две группы: материальные и знаковые .

Модели химических и промышленных аппаратов

Материальные модели атомов, молекул, кристаллов, химических производств химики используют для большей наглядности.

Наиболее распространенным изображением атома является модель, напоминающая строение Солнечной системы.

Для моделирования молекул веществ часто используют шаростержневые модели. Модели этого типа собирают из цветных шариков, обозначающих входящие в состав молекулы атомы. Шарики содиняют стержнями, символизирующие химические связи. С помощью шаростержневых моделей довольно точно воспроизводятся валентные углы в молекуле, но межъядерные расстояния отражаются лишь приблизительно, поскольку длины стержней, соединяющих шарики, не пропорциональны длинам связей.

Модели Дрединга достаточно точно передают валентные углы и соотношение длин связей в молекулах. Ядра атомов в них, в отличие от шаростержневых моделей, обозначаются не шариками, а точками соединения стержней.

Полусферические модели, называемые также моделями Стюарта – Бриглеба, собирают из шаров со срезанными сегментами. Модели атомов соединяют между собой плоскостями срезов с помощью кнопок. Полусферические модели точно передают как соотношение длин связей и валентных углов, так и заполненность межъядерного пространства в молекулах. Однако эта заполненность не всегда позволяет получить наглядное представление о взаимном расположении ядер.

Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии.

Однако чаще химики пользуются не материальными, а знаковыми моделями – это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций. С помощью символов химических элементов и индексов записываются формулы веществ. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы вещества. Он записывается справа от знака химического элемента.

Химическая формула – основная знаковая модель в химии. Она показывает: конкретное вещество; одну частицу этого вещества; качественный состав вещества, т.е., атомы каких элементов входят в состав данного вещества; количественный состав, т.е., сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества.

Все вышеприведенные модели широко используются при создании интерактивных компьютерных моделей .

1.4.2 Классификация компьютерных моделей

Среди различных типов педагогических программных средств особо выделяют те, в которых используются компьютерные модели. Применение компьютерных моделей позволяет не только повысить наглядность процесса обучения и интенсифицировать его, но и кардинально изменить этот процесс. В последние годы совершенствование компьютеров проходит бурными темпами, и их возможности для моделирования стали практически безграничными, поэтому значение компьютерных моделей при изучении школьных дисциплин может существенно возрасти. Э.Е. Нифантьев, А.К. Ахлебинин, В.Н. Лихачев отмечают, что основное преимущество компьютерных моделей – возможность моделирования практически любых процессов и явлений, интерактивного взаимодействия пользователя с моделью, а также осуществления проблемного, исследовательского подходов в процессе обучения .

В. Н. Лихачев предлагает классифицировать учебные компьютерные модели по ряду критериев, основными среди которых являются наличие анимации при отображении модели, способ управления, способ визуального отображения модели. По наличию анимации УКМ могут быть динамическими и статическими. Динамические содержат анимационные фрагменты для отображения моделируемых объектов и процессов, в статических они отсутствуют. По способу управления УКМ могут быть управляемые, которые позволяют изменять параметры модели, и неуправляемые, которые такой возможности не предоставляют.

Среди демонстрационных (неуправляемых) моделей можно выделить еще две группы по возможности взаимодействия с пользователем: интерактивные и неинтерактивные. Интерактивные позволяют изменять вид отображения модели или точку наблюдения на модель, не изменяя при этом ее параметров. Неинтерактивные таких возможностей не предоставляют.

Э.Е. Нифантьев, А.К. Ахлебинин и В.Н. Лихачев считают наиболее полезной с методической точки зрения классификацию по моделирующему объекту. По уровню представляемых объектов модели, используемые в преподавании химии, можно разделить на две группы: модели макромира , которые отражают внешние свойства моделируемых объектов и их изменение и модели микромира , которые отражают строение объектов и происходящие в них изменения на уровне их атомно-молекулярного представления. А модели таких объектов, как химические вещества, химические реакции и физико – химические процессы, могут быть созданы как на уровне микромира, так и на уровне макромира.

Классификацию УКМ можно представить в виде схемы для большей наглядности.

1.4.3 Компьютерные модели микромира

Объектами для моделирования на уровне микромира являются атомы, ионы, молекулы, кристаллические решетки, структурные элементы атомов. На уровне микромира моделируются особенности строения вещества, взаимодействия частиц, из которых состоит вещество. Для моделирования химических реакций на уровне микромира большой интерес представляют механизмы протекания химических процессов. А в моделях физико-химических процессов рассматриваются процессы, происходящие на электронном или атомно-молекулярном уровне.

Понятно, что УКМ, моделирующие модели микромира, становятся отличными помощниками при изучении строения атомов, типов химической связи, строения вещества и т.д..

Модели атомов 1 – 3 периодов периодической таблицы Менделеева реализованы в программе «1С: Репетитор. Химия » в виде моделей атома Бора. Более современные представления о строении атома реализованы в программе ChemLand, где рассматривается распределение электронов по энергетическим подуровням атомов элементов и вид отдельных орбиталей на различных энергетических уровнях.

Особый интерес представляет программа HyperChem . Она представляет собой одну из основных профессиональных программ для теоретического расчета различных термодинамических и электронных параметров молекул. С ее помощью оказывается возможным строить пространственные модели различных соединений, изучать особенности их геометрического строения, определять форму и энергию молекулярных орбиталей, характер распределения электронной плотности, дипольный момент и т. д. Все выходные данные предоставляются в виде цветных рисунков, которые затем можно распечатать на принтере, получая качественное изображение химических соединений в требуемых ракурсах и проекциях. Достоинством программы является возможность рассмотреть молекулу с разных сторон, ознакомиться с особенностями ее пространственного строения. Это представляется чрезвычайно важным, поскольку, как показывает практика преподавания, у учеников обычно не формируется представления о молекулах как о пространственных структурах. Традиционное изображение химических веществ в одной плоскости приводит к потере целого измерения и не стимулирует развития пространственного воображения.

В мультимедийном курсе «Химия для всех » используется программа – стереодемонстратор молекул. Она позволяет предоставлять объемные изображения молекул, состоящих из атомов водорода, кислорода, углерода и азота. Для демонстрации используют каркасные модели молекул. Модели можно перемещать, поворачивать, демонстрировать одновременно изображения нескольких различных молекул. Программа позволяет создавать новые модели молекул самостоятельно. Всего приведены модели 25 органических молекул, однако дидактическая ценность этих моделей невелика, так как предоставлены модели достаточно простых соединений, которые каждый школьник сможет собрать, используя пластилин и спички.

Демонстрационные орбитально-лопастные трехмерные модели некоторых молекул реализованы в программе «Метод валентных связей: гибридизация атомных орбиталей». А в программе «Природа химической связи » объясняются причины возникновения химической связи на примере образования молекулы водорода из атомов. Обе указанные программы входят в комплект обучающих программ «Химия для всех – 2000 ».

Интерактивные демонстрационные каркасные модели используются в программах ChemLand – 115 молекул преимущественно органических соединений, и «Химия для всех ». У этих двух программ есть свои плюсы и минусы: в программе «Химия для всех» модели можно демонстрировать на полный экран монитора, а в программе ChemLand такой функции нет, однако, в программе представлено большое количество молекул. В программе ChemLand используются динамические модели, демонстрирующие пространственное строение молекул с возможностью измерения валентных углов и длин связей , что позволяет проследить изменение полярности треугольной молекулы в зависимости от типа атомов.

При изучении строения молекул и кристаллов могут быть полезны программы, больше предназначенные для исследовательских целей. Это, например, программа CS Chem3D Pro, которая позволяет создавать, изменять и отображать трехмерную структуру различных молекул. Также полезна программа Crystal Designer, которая предназначена для визуализации трехмерной структуры кристаллической решетки. Эти программы могут быть полезны при создании трехмерных изображений молекул и кристаллов и для их демонстрации на уроках с помощью компьютера.

Программа «Собери молекулу », хотя и уступает по своим возможностям вышеназванным программам, может эффективно использоваться при индивидуальной работе школьников.

Модели физико – химических процессов и механизмов реализованы в программе «Химия для всех ». Здесь продемонстрированы неинтерактивные модели по теме «Электролитическая диссоциация»: диссоциация солей, кислот, щелочей, гидролиз солей. В этой же программе реализованы некоторые модели механизмов органических реакций: бромирование алканов, этерификация, общий механизм реакций полимеризации и т.д. Все модели механизмов реакций неинтерактивные, демонстрируются на полный экран, имеют звуковое сопровождение, однако отсутствует текстовое описание происходящих явлений, что существенно ограничивает использование программы.

В онлайновой версии интерактивного учебника для средней школы по органической химии для X – XI классов под редакцией Г. И. Дерябиной, А. В. Соловова представлены обменный и донорно-акцепторный механизмы образования ковалентной связи, гомолитический и гетеролитический механизмы разрыва ковалентной связи на примере отрыва атома водорода от молекулы метана, процесс sp – гибридизации. Большой интерес представляют интерактивные трехмерные демонстрационные модели органических молекул и механизмов химических реакций: хлорирование метана и общий механизм нуклеофильного замещения. Очень важно, что при работе с моделями можно изменять их положение в пространстве, а для механизма реакции – изменять положение точки наблюдения.

Еще одна программа, демонстрирующая механизмы химических реакций, программа Organic Reaction Animations. Она содержит 34 механизма органических реакций. Причем, каждый механизм представлен в виде четырех вариантов молекулярных моделей: шаростержневой, объемной и двух вариантов орбитально-лопастных моделей. Один из вариантов орбитально-лопастных моделей демонстрирует изменение в ходе реакции внешних орбиталей субстрата, а другой – реагента. Это облегчает наблюдение за изменением внешних орбиталей реагентов в ходе реакции. При необходимости можно воспользоваться теоретическим материалом .интерактивного многоканального инструмента познания. Разработка учащимися собственных...

Кроме наблюдения и эксперимента в познании естественного мира и химии большую роль играет моделирование. Одна из главных целей наблюдения - поиск закономерностей в результатах экспериментов. Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях с помощью особых приборов, установок, предметов, т.е., моделей. В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаются несущественные для изучения. Так в химии модели условно можно разделить на две группы: материальные и знаковые .

Материальные модели атомов, молекул, кристаллов, химических производств химики используют для большей наглядности.

Наиболее распространенным изображением атома является модель, напоминающая строение Солнечной системы.

Для моделирования молекул веществ часто используют шаростержневые модели. Модели этого типа собирают из цветных шариков, обозначающих входящие в состав молекулы атомы. Шарики содиняют стержнями, символизирующие химические связи. С помощью шаростержневых моделей довольно точно воспроизводятся валентные углы в молекуле, но межъядерные расстояния отражаются лишь приблизительно, поскольку длины стержней, соединяющих шарики, не пропорциональны длинам связей.

Модели Дрединга достаточно точно передают валентные углы и соотношение длин связей в молекулах. Ядра атомов в них, в отличие от шаростержневых моделей, обозначаются не шариками, а точками соединения стержней.

Полусферические модели, называемые также моделями Стюарта - Бриглеба, собирают из шаров со срезанными сегментами. Модели атомов соединяют между собой плоскостями срезов с помощью кнопок. Полусферические модели точно передают как соотношение длин связей и валентных углов, так и заполненность межъядерного пространства в молекулах. Однако эта заполненность не всегда позволяет получить наглядное представление о взаимном расположении ядер.

Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии.

Однако чаще химики пользуются не материальными, а знаковыми моделями - это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций. С помощью символов химических элементов и индексов записываются формулы веществ. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы вещества. Он записывается справа от знака химического элемента.

Химическая формула - основная знаковая модель в химии. Она показывает: конкретное вещество; одну частицу этого вещества; качественный состав вещества, т.е., атомы каких элементов входят в состав данного вещества; количественный состав, т.е., сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества.

Все вышеприведенные модели широко используются при создании интерактивных компьютерных моделей .

О.С.ГАБРИЕЛЯН,
И.Г.ОСТРОУМОВ,
А.К.АХЛЕБИНИН

СТАРТ В ХИМИЮ

7 класс

Продолжение. Начало см. в № 1, 2/2006

Глава 1.
Химия в центре естествознания

(продолжение)

§ 3. Моделирование

Кроме наблюдения и эксперимента в познании естественного мира и химии большую роль играет моделирование.

Мы уже говорили о том, что одна из главных целей наблюдения – поиск закономерностей в результатах экспериментов.

Однако некоторые наблюдения неудобно или невозможно проводить непосредственно в природе. Естественную среду воссоздают в лабораторных условиях с помощью особых приборов, установок, предметов, т.е. моделей. В моделях копируются только самые важные признаки и свойства объекта и опускаются несущественные для изучения. Слово «модель» имеет франко-итальянские корни и переводится на русский как «образец». Моделирование – это изучение некоторого явления с помощью его моделей, т.е. заменителей, аналогов.

Например, для того чтобы изучить молнию (природное явление), ученым не нужно было дожидаться непогоды. Молнию можно смоделировать на уроке физики и в школьной лаборатории. Двум металлическим шарикам нужно сообщить противоположные электрические заряды – положительный и отрицательный. При сближении шариков до определенного расстояния между ними проскакивает искра – это и есть молния в миниатюре. Чем больше заряд на шариках, тем раньше при сближении проскакивает искра, тем длиннее искусственная молния. Такую молнию получают с помощью специального прибора, который называется электрофорной машиной.

Изучение модели позволило ученым определить, что природная молния – это гигантский электрический разряд между двумя грозовыми облаками или между облаками и землей. Однако настоящий ученый стремится найти практическое применение каждому изучаемому явлению. Чем мощнее электрическая молния, тем выше ее температура. А ведь превращение электрической энергии в теплоту можно «укротить» и использовать, например, для сварки и резки металлов. Так родился знакомый сегодня каждому процесс электросварки.

Каждая естественная наука использует свои модели, которые помогают зримо представить себе реальное природное явление или объект.

Самая известная географическая модель – глобус. Это миниатюрное объемное изображение нашей планеты, с помощью которой вы можете изучать расположение материков и океанов, стран и континентов, гор и морей. Если же изображение земной поверхности нанести на лист бумаги, то такая модель называется картой.

Моделирование в физике используется особенно широко. На уроках по этому предмету вы будете знакомиться с самыми разными моделями, которые помогут вам изучить электрические и магнитные явления, закономерности движения тел, оптические явления.

При изучении биологии модели также широко используются. Достаточно упомянуть, например, модели – муляжи цветка, органов человека и т.д.

Не менее важно моделирование и в химии. Условно химические модели можно разделить на две группы: материальные и знаковые (или символьные).

Материальные модели атомов, молекул, кристаллов, химических производств химики используют для большей наглядности.

Вы, наверное, видели изображение модели атома, напоминающее строение Солнечной системы (рис. 30).

Для моделирования молекул химических веществ используют шаростержневые или объемные модели. Их собирают из шариков, символизирующих отдельные атомы. Различие состоит в том, в шаростержневых моделях шарики-атомы расположены друг от друга на некотором расстоянии и скреплены друг с другом стерженьками. Например, шаростержневая и объемная модели молекул воды показаны на рис. 31.

Модели кристаллов напоминают шаростержневые модели молекул, однако изображают не отдельные молекулы вещества, а показывают взаимное расположение частиц вещества в кристаллическом состоянии (рис. 32).

Однако чаще всего химики пользуются не материальными, а знаковыми моделями – это химические символы, химические формулы, уравнения химических реакций.

Разговаривать на химическом языке, языке знаков и формул, вы начнете уже со следующего урока.

1. Что такое модель и что – моделирование?

2. Приведите примеры: а) географических моделей; б) физических моделей; в) биологических моделей.

3. Какие модели используют в химии?

4. Изготовьте из пластилина шаростержневые и объемные модели молекул воды. Какую форму имеют эти молекулы?

5. Запишите формулу цветка крестоцветных, если вы изучали это семейство растений на уроках биологии. Можно ли назвать эту формулу моделью?

6. Запишите уравнение для расчета скорости движения тела, если известны путь и время, за которое он пройден телом. Можно ли назвать это уравнение моделью?

§ 4. Химические знаки и формулы

К символьным моделям в химии относят знаки или символы химических элементов, формулы веществ и уравнения химических реакций, которые лежат в основе «химической письменности». Ее основоположником является шведский химик Йенс Якоб Берцелиус. Письменность Берцелиуса строится на важнейшем из химических понятий – «химический элемент». Химическим элементом называют вид одинаковых атомов.

Берцелиус предложил обозначать химические элементы первой буквой их латинских названий. Так символом кислорода стала первая буква его латинского названия: кислород – О (читается «о», т.к. латинское название этого элемента oxygenium ). Соответственно водород получил символ H (читается «аш», т.к. латинское название этого элемента hydrogenium ), углерод – С (читается «цэ», т.к. латинское название этого элемента carboneum ). Однако латинские названия хрома (chromium ), хлора (chlorum ) и меди (cuprum ) так же, как и углерода, начинаются на «С». Как же быть? Берцелиус предложил гениальное решение: такие символы записывать первой и одной из последующих букв, чаще всего второй. Так, хром обозначается Сr (читается «хром»), хлор – Cl (читается «хлор»), медь – Cu (читается «купрум»).

Русские и латинские названия, знаки 20 химических элементов и их произношения приведены в табл. 2.

В нашей таблице уместилось всего 20 элементов. Чтобы увидеть все 110 элементов, известных на сегодняшний день, нужно посмотреть в таблицу химических элементов Д.И.Менделеева.

Таблица 2

Названия и символы некоторых химических элементов

Чаще всего в состав веществ входят атомы нескольких химических элементов. Изобразить мельчайшую частицу вещества, например молекулу, можно с помощью моделей-шариков так, как вы это делали на предыдущем уроке. На рис. 33 изображены объемные модели молекул воды (а) , сернистого газа (б) , метана (в) и углекислого газа (г) .

Чаще для обозначения веществ химики пользуются не материальными моделями, а знаковыми. С помощью символов химических элементов и индексов записываются формулы веществ. Индекс показывает, сколько атомов данного элемента входит в состав молекулы вещества. Он записывается внизу справа от знака химического элемента. Например, формулы упомянутых выше веществ записывают так: Н 2 О, SO 2 , CH 4 , CO 2 .

Химическая формула – основная знаковая модель в нашей науке. Она несет очень важную для химика информацию. Химическая формула показывает: конкретное вещество; одну частицу этого вещества, например одну молекулу; качественный состав вещества, т.е. атомы каких элементов входят в состав данного вещества; количественный состав , т.е. сколько атомов каждого элемента входит в состав молекулы вещества.

По формуле вещества можно определить также, простое оно или сложное.

Простыми веществами называют вещества, состоящие из атомов одного элемента. Сложные вещества образованы атомами двух или более различных элементов.

Например, водород Н 2 , железо Fe, кислород О 2 – простые вещества, а вода Н 2 О, углекислый газ СО 2 и серная кислота H 2 SO 4 – сложные.

1. Знаки каких химических элементов содержат заглавную букву С? Запишите их и произнесите.

2. Из табл. 2 выпишите отдельно знаки элементов-металлов и элементов-неметаллов. Произнесите их названия.

3. Что такое химическая формула? Запишите формулы следующих веществ:

а) серной кислоты, если известно, что в состав ее молекулы входят два атома водорода, один атом серы и четыре атома кислорода;

б) сероводорода, молекула которого состоит из двух атомов водорода и одного атома серы;

в) сернистого газа, молекула которого содержит один атом серы и два атома кислорода.

4. Что объединяет все эти вещества?

Изготовьте из пластилина объемные модели молекул следующих веществ:

а) аммиака, молекула которого содержит один атом азота и три атома водорода;

б) хлороводорода, молекула которого состоит из одного атома водорода и одного атома хлора;

в) хлора, молекула которого состоит из двух атомов хлора.

Напишите формулы этих веществ и прочитайте их.

5. Приведите примеры превращений, когда известковая вода является определяемым веществом, а когда – реактивом.

6. Проведите домашний эксперимент по определению крахмала в продуктах питания. Какой реактив вы использовали при этом?

7. На рис. 33 изображены модели молекул четырех химических веществ. Сколько химических элементов образуют эти вещества? Запишите их символы и произнесите их названия.

8. Возьмите пластилин четырех цветов. Скатайте самые маленькие шарики белого цвета – это модели атомов водорода, синие шарики побольше – модели атомов кислорода, черные шарики – модели атомов углерода и, наконец, самые большие шарики желтого цвета – модели атомов серы. (Конечно, цвет атомов мы выбрали условно, для наглядности.) С помощью шариков-атомов изготовьте объемные модели молекул, показанных на рис. 33.

Химия – экспериментальная наука о превращениях химических элементов и химических соединений. По определению Д. И. Менделеева, химия одновременно является и наукой , и производством . Главная задача химии - это получение веществ с заданными свойствами и разработка способов управления свойствами веществ, в процессе их превращения. Химия изучает химические связи, энергетику химических реакций, реакционную способность веществ, свойства катализаторов и т. д.

В 1860 году в Германии состоялся Международный съезд химиков, где ученые пришли к выводу о том, что все вещества состоят из молекул, молекулы состоят из атомов, атомы и молекулы находятся в непрерывном тепловом движении. Химическая связь между атомами осуществляется электронами, расположенными во внешней оболочке атомов. Их называют валентными электронами .

Роль моделирования в химии необычайно высока, поэтому химическая теория состоит из множества моделей . Среди них можно выделить модели с очень широкой областью применимости, создающие основу современной химической науки. К этим моделям относятся: стехиометрическая, атомно-молекулярная, геометрическая и электронная модель. Появление каждой из них произвело в свое время переворот во взглядах химиков.

Стехиометрическая модель определяет использование химических формул и уравнений. Стехиометрическое уравнение дает точное описание любой реакции.

Атомно-молекулярная модель показывает как внутримолекулярные, так и межмолекулярные перегруппировки атомов. Эта модель показывает химические реакции, в ходе которых происходит перераспределение атомов.

Геометрическая модель определяет структуру химических формул и геометрию молекулярных параметров. Эта модель дает возможность пространственно представить структуру соединения, понять причину появления веществ изомеров. Любое химическое превращение это непрерывный переход от одной геометрической конфигурации атомов к другой. Геометрическая модель является классической теорией строения молекул, т.к. все атомы обладают координатами и траекториями движения. Атомно-молекулярная и геометрическая модели стали мощными средствами систематизации огромного экспериментального материала.

Электронная модель показывает реакционную способность веществ через электронное строение молекул. Эта модель относится к неклассической химии, т.к. поведение электронов в атомах подчиняется законам квантовой физики. Химические реакции, протекающие при определенных условиях: давлениях и температурах относятся к классической химии, а реакции, протекающие с участием катализаторов, ингибиторов и ферментов относятся к квантовой химии. Все эти модели дополняют друг друга. Каждая последующая модель использует и детализирует постулаты предыдущей модели.

Вопросы для самоконтроля

1. Что за наука химия?

2. Какое определение дал Менделеев химии?

3. В чём главная задача химии?

4. Что изучает химии?

5. Где происходил Международный съезд химиков в 1860 году?

6. Что утвердили участники Международного съезда химиков в 1860 году?

7. Какие электроны называют валентными электронами?

8. Какие модели широко используются в химии?

9. Что определяет стехиометрическая модель?

10. Что показывает атомно-молекулярная модель?

11. Что определяет геометрическая модель?

12. Что показывает электронная модель?

Федоров А.Я. 1 Мелентьева Т.А. 2 Мелентьева М.А. 3

1 Тульский институт управления и бизнеса им. Н.Д. Демидова

2 Тульский педагогический университет им. Л.Н. Толстого

3 Российская музыкальная академия им. Гнессиных

1. Ивашов П.В. Ландшафтно-геохимические исследования на базальтовых массивах. – М.: Из-во «Дальнаука», 2003. – 323 с.

2. Акимова Т.А., Кузьмин А.П., Хаскин В.В. Экология. – М.: Из-во «ЮНИТИ», 2001. – 343 с.

4. Экология; под ред. Терехиной Л.А. – Тула: Из-во «ТГПУ», 2004. – 221 с.

5. Федоров А.Я., Мелентьева Т.А., Мелентьева М.А. Процесс очистки технологического газа. – Тула: Из-во «ТулГУ» Серия «Экология и безопасность жизнедеятельности», 2009. – Вып. 3. – С. 47–52.

6. Федоров А.Я., Мелентьева Т.А., Мелентьева М.А. Моделирование металлургических процессов. – М.: Из-во «Академия Естествознания», 2011. – С. 56–58.

Из всех изверженных из земных недр пород наиболее широко распространены базальты - эффузионные образования, связанные с базальтовым магматизмом. Семейство базальтов петрологами обычно подразделяются на два больших типа: толеиновые базальты и щелочные оливиновые базальты. Толеиновые базальты состоят из двух пироксенов (авгита и бедного кальцием собственно пироксена) и плагиоклаза. В них также может присутствовать оливин. Щелочные оливиновые базальты отличаются наличием только одного пироксена (авгивита) в парагенезисе с плагиоклазом и оливином. Они особенно характерны для океанических островов. Толеинтовые базальты главным образом встречаются в глубоководных частях океанов, вдоль океанических хребтов, а также в форме покровных базальтов на материке. Континентальные телеиты имеют несколько более высокое содержание кальция и кремнезема по сравнению с океаническими телеитами.

В регионах распространение древней и современной вулканической деятельности в настоящее время доказана тесная и пространственная связь базальтов и андезитов как эффузионных образований с их интрузивными аналогами в виде габброидов и диоритов. Общность химических составов этих вулканических пород и интрузивных пород указывает на единство их глубинного происхождения .

Многие металлургические процессы основаны на переработке железосодержащих пород. Они основаны на восстановлении металлов из руд, где они содержатся преимущественно в виде окислов или сульфидов с помощью термических и электролитических реакций. Наиболее характерные химические реакции имеют вид:

Fe2O3 + 3C +O2 → 2Fe + CO + 2CO2,

5Сu2S + 5O2 → 10Cu + 5SO2, (1)

Al2O3 + 3O → 2Al + 3О2,

где Fe2O3, Al2O3 - оксиды железа и алюминия; Сu2S - сульфид меди; C - углерод; O2 - молекулярный кислород; O - атомарный кислород;Fe, Cu, Al - получаемые металлы; CO - оксид углерода; CO2 - диоксид углерода; SO2 - диоксид серы. Технологическая цепь в черной металлургии включает производство окатышей и агломератов, доменное, сталеплавильное, прокатное, ферросплавное, литейное производство и другие вспомогательные производства . Все металлургические переделы сопровождаются интенсивным загрязнением среды (таблица). В коксохимическом производстве дополнительно выделяются ароматические углеводороды, фенолы, аммиак, цианиды и целый ряд других веществ. Черная металлургия потребляет большое количество воды. Хотя промышленные нужды на 80-90 % удовлетворяются за счет систем оборотного водоснабжения., забор свежей воды и сброс загрязненных стоков достигают очень больших объемов, соответственно порядка 25-30 м3 и 10-15 м3 на 1 т продукции полного цикла. Со стоками в водные объекты поступают значительные количества взвешенных веществ, сульфатов, хлоридов, соединений тяжелых металлов.

Газовые выбросы основных переделов черной металлургии в кг/т соответствующего продукта

Примечание. * кг/м2 поверхности металла.

Технологии химической промышленности со всеми ее отраслями (неорганическая химия, нефтегазохимия, лесохимия, оргсинтез, фармакологическая химия, микробиологическая промышленность и др.) содержат множество незамкнутых материальных циклов. Основными источниками вредных эмиссий являются процессы производства неорганических кислот и щелочей, синтетического каучука, минеральных удобрений, ядохимикатов, пластмасс, красителей, растворителей, моющих средств, крекинг нефти. Кроме того, являются процессы очистки технологического газа . В техногенных потоках поллютантов ключевое место занимают транспортирующие среды - воздух и вода.

Обычно химический процесс получения металлов заключается в восстановлении данного металла - обычно окисла или сульфида - до свободного металла. В качестве восстановителя обычно применяют уголь, чаще всего в виде кокса (КМЗ, РМЗ) .

Россия занимает невыгодное географическое положение по отношению к трансграничному переносу аэрополлютантов. В связи с преобладанием западных ветров значительную долю загрязнения воздушного бассейна Европейской территории России (ЕТР) дает аэрогенный перенос из стран Западной и Центральной Европы и ближнего зарубежья.

Для интегральной оценки состояния воздушного бассейна применяют индекс суммарного загрязнения атмосферы:

где qi - средняя за год концентрация в воздухе i-го вещества; Ai - коэффициент опасности i-го вещества, обратный ПДК этого вещества; Ci - коэффициент, зависящий от класса опасности вещества. Im является упрощенным показателем и рассчитывается обычно для m = 5 - наиболее значимых концентраций веществ, определяющих загрязнение воздуха. В эту пятерку чаще других попадают такие вещества как бензопирен, формальдегид, фенол, аммиак, диоксид азота, сероуглерод, пыль. Индекс Im изменяется от долей единицы до 15-20 - чрезвычайных условий загрязнения.

По ряду показателей, в первую очередь по массе и распространенности вредных эффектов, атмосферным загрязнителем номер один является диоксид серы. Поступление в атмосферу больших количеств SO2 и окислов азота приводит к заметному снижению PH атмосферных осадков. Это происходит из-за вторичных реакций в атмосфере, приводящих к образованию сильных кислот. В этих реакциях участвует кислород и пары воды, а также частицы техногенной пыли в качестве катализатора:

2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4,

4NO2 + 2H2O + O2 → 4HNO3, (3)

где H2SO4, HNO3 - серная и азотная кислоты. В атмосфере оказывается и ряд промежуточных продуктов указанных реакций. Растворение кислот в атмосферной влаге приводит к выпадению кислотных дождей. В промышленных районах и в зонах атмосферного заноса окислов серы и азота pH дождевой воды колеблется от 3 до 5. Кислотные осадки особенно опасны в районах с кислыми почвами и низкой буферностью природных вод. Это приводит к неблагоприятным изменениям в водных экосистемах. Природные комплексы Южной Канады и Серной Европы уже давно ощущают действие кислых осадков.

В 70-х годах появились сообщения о региональных снижениях озона в стратосфере. Особенно заметной стала сезонно пульсирующая озоновая дыра над Антарктидой площадью более 10 млн км2, где содержание O3 за 80-е годы уменьшилось почти на 50 %. Поскольку ослабление озонового экрана чрезвычайно опасно для всей наземной биоты и для здоровья людей, эти данные привлекли внимание ученых, а затем всего общества. Большинство специалистов склоняется к мнению о техногенном происхождении озоновых дыр. Наиболее обосновано предположение, согласно которому главной причиной является попадание в верхние слои атмосферы техногенного хлора и фтора, а также других атомов и радикалов, способных чрезвычайно активно присоединять атомарный кислород, тем самым конкурируя с реакцией:

О + О2 → O3, (4)

где O3 - озон. Занос активных галогенов в верхние слои атмосферы опосредован летучими хлорфторуглеродами (ХФУ) типа фреонов, которые, будучи в обычных условиях инертными и нетоксичными, под действием коротковолновых ультрафиолетовых лучей в стратосфере распадаются. Хлорфторуглероды обладают рядом полезных свойств, обусловивших широкое их применение в холодильных установках, кондиционерах, аэрозольных баллончиках, огнетушителях и др. (рисунок). С 1950 г. объем мирового производства ХФУ ежегодно возрастал на 7-10 %.

Мировое производство хлорфторуглеродов

В последующем были приняты международные соглашения, обязывающие стран - участниц сократить использование ХФУ. США еще в 1978 г. ввели запрет на использование ХФУ - аэрозолей. Но расширение других областей применения ХФУ снова привел к росту их мирового производства. Переход промышленности к новым озоносберегающим технологиям связан с большими финансовыми затратами. В последние десятилетия появились и другие, чисто технические пути заноса активных разрушителей озона в стратосферу: ядерные взрывы в атмосфере, выбросы сверхзвуковых самолетов, запуски ракет и космических кораблей многоразового использования. Не исключено, однако, что часть наблюдаемого ослабления озонового экрана Земли связана не с техногенными выбросами, а с вековыми колебаниями аэрохимических свойств атмосферы и независимыми изменениями климата.

Библиографическая ссылка