أمثلة على تطبيق التقنيات الكيميائية الحديثة. الصناعة الكيميائية والتكنولوجيا الكيميائية. الأسس النظرية للتكنولوجيا الكيميائية

صناعة البتروكيماويات والطاقة والنقل ، المعدات العسكريةواشياء أخرى عديدة.

التقنيات الكيميائية في التطور التاريخي

عند التفكير في تطور التكنولوجيا الكيميائية في القرن العشرين ، خاصة بعد الحرب العالمية الأولى ، من الممكن الكشف عن بعض سماتها المميزة والمحددة. من المعروف أن 99.5٪ من القشرة الأرضية تتكون من 14 عنصرًا كيميائيًا: الأكسجين والسيليكون والكربون والألمنيوم والحديد والكالسيوم والصوديوم والمغنيسيوم والبوتاسيوم والهيدروجين والتيتانيوم والفوسفور والكلور والكبريت. ومع ذلك ، على الرغم من التوزيع الهائل للعديد من هذه العناصر ، لم يتم سحبها إلى مدار الصناعة الكيميائية في القرن التاسع عشر. ينطبق هذا بالتساوي على الفلور والتيتانيوم والكلور والمغنيسيوم والألمنيوم والهيدروجين.

للتكنولوجيا الكيميائية في القرن العشرين. من المميزات الإشارة بدقة إلى هذه العناصر الأكثر شيوعًا. يعتبر الهيدروجين حاليًا خبز الكيمياء الحديثة. يتطلب تصنيع الأمونيا ، وتصنيع الكحوليات ، وتوليف الوقود السائل ، وما إلى ذلك ، سنويًا إنتاج بلايين الأمتار المكعبة من الهيدروجين. تعد المشاركة الواسعة للهيدروجين في الإنتاج الكيميائي سمة مميزة لكيمياء القرن العشرين.

تعتبر كيمياء السيليكون ذات أهمية كبيرة في التكنولوجيا الحديثة ، وعلى وجه الخصوص ، كيمياء مركبات السيليكون العضوي. تعتبر كيمياء التيتانيوم والكلور والمغنيسيوم والبوتاسيوم والألمنيوم ذات أهمية استثنائية أيضًا. في الوقت نفسه ، تميل التكنولوجيا الكيميائية ، خاصة فيما يتعلق بتطوير التكنولوجيا الذرية والنفاثة ، إلى استخدام أندر العناصر وأكثرها تبعثرًا في قشرة الأرض ، والتي تعد أهم أساس لتقنية القرن العشرين.

أساس التركيب العضوي للقرن التاسع عشر. تم الحصول عليها من قطران الفحم الحجري عن طريق فحم الكوك. في القرن العشرين ، تفسح هذه المادة الخام الطريق للغازات البسيطة والمتاحة بسهولة والتي يتم الحصول عليها من مجموعة واسعة من أنواع الوقود الصلب ، من الخث منخفض الدرجة الفحم البنيوتنتهي بأنثراسايت وفحم الكوك. يتم استخدام الغازات الناتجة عن إنتاج النفط وتكريره على نطاق واسع. طوال القرن العشرين. يتزايد استخدام الغازات الأحفورية الطبيعية (الشكل 1).

رسم بياني 1. المنتجات المشتقة من غاز طبيعي(ميثان).

وهكذا ، إذا كان في القرن التاسع عشر. كان أساس الصناعة الكيميائية هو قطران الفحم ، ثم في النصف الأول من القرن العشرين. قاعدة المواد الخام الرئيسية لصناعة التخليق العضوي هي الفحم والنفط والغازات التي يتم الحصول عليها منها: الهيدروجين وأول أكسيد الكربون ومجموعة غنية من الهيدروكربونات وعدد من المواد الأخرى. النيتروجين والهيدروجين والأكسجين والكلور والفلور وأول أكسيد الكربون والميثان والأسيتيلين والإيثيلين وبعض الغازات الأخرى هي المواد الخام الرئيسية للكيمياء الحديثة. وبالتالي ، فإن السمة المميزة لأحدث التقنيات الكيميائية هي استخدام العناصر المشتركة التي كانت تُستخدم سابقًا على نطاق ضئيل ، وتحويلها إلى أساس التكنولوجيا الكيميائية الحديثة ، فضلاً عن استخدامها على نطاق واسع كمواد خام كيميائية. وقود صلبالهيدروكربونات السائلة والغازية.

من السمات المميزة للتكنولوجيا الكيميائية أيضًا استخدام العناصر النادرة المرتبطة ، على وجه الخصوص ، بمتطلبات التكنولوجيا النووية. تساهم الكيمياء بشكل كبير في تطوير التكنولوجيا النووية ، حيث تمنحها مواد مختلفة - معادن (يورانيوم ، ليثيوم ، إلخ) ، ماء ثقيل ، هيدروجين ، بلاستيك ، إلخ.

في البداية ، تم إتقان إنتاج المعدات الأساسية لتخليق الأمونيا. تم تصميم وبناء أعمدة التخليق ، والفواصل ، وأجهزة غسل الماء والأمونيا لتنظيف الغازات من ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون ، وكذلك أجهزة الطرد المركزي ، والمرشحات الفراغية ، وأوتوكلاف لكبريت المطاط ، ومكابس البلاستيك ، ومعدات التبريد العميق ، وما إلى ذلك. محطات الفصل منذ عشرينيات القرن الماضي الغازات البترولية، معدات تصحيح وامتصاص عالية الكفاءة ، ضواغط ومفاعلات عالية الضغط ، وحدات تبريد ، إلخ. الاتجاه الرئيسي للكيمياء الحديثة هو الرغبة في التصميم المسبق للتركيب الجزيئي للمادة وفقًا للأكسجين والكلور والفلور وأول أكسيد الكربون والميثان والأسيتيلين والإيثيلين وبعض الغازات الأخرى هي قاعدة المواد الخام الرئيسية في الكيمياء الحديثة.

وبالتالي ، فإن السمة المميزة لأحدث التقنيات الكيميائية هي استخدام العناصر المشتركة التي كانت تُستخدم سابقًا على نطاق ضئيل ، وتحويلها إلى أساس التكنولوجيا الكيميائية الحديثة ، فضلاً عن الاستخدام الواسع للوقود الصلب والهيدروكربونات السائلة والغازية كمواد خام كيميائية.

وتجدر الإشارة إلى أن إحدى ميزات الكيمياء الحديثة هي شرط نقاء المنتجات المنتجة. غالبًا ما تؤثر الشوائب الموجودة في مواد البدء سلبًا على خصائص المنتج الناتج. لذلك ، في السنوات الأخيرة ، تم استخدام مواد البدء النقية جدًا (المونومرات) ، التي تحتوي على ما لا يقل عن 99.8-99.9٪ من المادة الأساسية ، بشكل متزايد في الصناعة الكيميائية. من السمات المميزة للتكنولوجيا الكيميائية الحديثة أنه يتم إدخال أساليب جديدة للتأثير في أسلحتها ؛ من المهم بشكل خاص استخدام ضغوط عالية من عدة مئات إلى 1500-2000 وأجواء أعلى ، فراغ عميق (حتى جزء من الألف من الغلاف الجوي) ، درجات حرارة عالية تصل إلى عدة آلاف من الدرجات ، استخدام البرودة العميقة (درجات حرارة منخفضة قريبة من الصفر المطلق ) ، وكذلك استخدام التفريغ الكهربائي ، والموجات فوق الصوتية ، والإشعاع المشع ، وما إلى ذلك. من الطبيعي أن تكون الزيادة في المستوى التقني للإنتاج الكيميائي بشكل عام ، وبالتالي التطور السريع لصناعة التخليق العضوي بشكل خاص ، بضمان إمداد الصناعة الكيميائية بمعدات حديثة وعالية الأداء وأجهزة وآلات مناسبة. في البداية ، تم إتقان إنتاج المعدات الأساسية لتخليق الأمونيا. تم تصميم وبناء أعمدة التخليق ، والفواصل ، وأجهزة غسل الماء والأمونيا لتنظيف الغازات من ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون ، وكذلك أجهزة الطرد المركزي ، والمرشحات الفراغية ، وأوتوكلاف لكبريت المطاط ، ومكابس البلاستيك ، ومعدات التبريد العميق ، وما إلى ذلك. في عشرينيات القرن الماضي ، حصلوا على وحدات قوية لفصل الغاز عن الزيت ، ومعدات تصحيح وامتصاص عالية الكفاءة ، وضواغط ومفاعلات عالية الضغط ، ووحدات تبريد ، وما إلى ذلك. الاتجاه الرئيسي للكيمياء الحديثة هو الرغبة في التصميم المسبق للبنية الجزيئية لمادة في وفقًا لخصائص محددة مسبقًا. لا يتم توليف المواد ذات الخصائص المحددة مسبقًا في الكيمياء الحديثة بشكل أعمى ، ولكن على أساس دراسة عميقة لقوانين تكوين الجزيئات. لذلك ، يخضع عدد من الفروع الجديدة للعلوم الكيميائية لتطور كبير.

في جوهرها ، من عمليات البحث والاكتشافات العشوائية ، انتقلت الكيمياء ، بدءًا من عشرينيات القرن الماضي ، إلى الاستبدال المنتظم للمواد النادرة الطبيعية وإزاحتها بمواد ليست فقط أقل جودة ، بل على العكس من ذلك ، متفوقة على هذه المواد الطبيعية . على سبيل المثال ، حلت مركبات النيتروجين الاصطناعية محل النترات التشيلية الطبيعية. المطاط الصناعي ليس أقل جودة من المطاط الطبيعي. الخامس السنوات الاخيرةيعمل بعض الباحثين على تحسين جودة المطاط الطبيعي وليس الصناعي ، حتى يتمكن من منافسة البعض أنواع خاصةالمطاط الصناعي. لقد تم تحقيق خطوات كبيرة في مجال تصنيع الألياف الاصطناعية ، والتي يعود إنتاجها إلى عقود قليلة مضت.

منذ عشرينيات القرن الماضي ، تم إهمال المنتجات الطبيعية واستبدالها بمنتجات اصطناعية ذات جودة متساوية. هذه عملية طبيعية تمامًا. الحقيقة هي أن الطرق الكيميائية لمعالجة المواد ، وإدخال العمليات الكيميائية في الإنتاج يؤدي إلى انخفاض كبير في وقت الإنتاج وإلى انخفاض كبير في تكاليف العمالة ، وفي نفس الوقت الحصول على منتجات ذات جودة أعلى من المنتجات الطبيعية. لذلك ، إذا كان إنتاج 1 طن من ألياف الفسكوز الاصطناعية يتطلب 70 يوم عمل ، فإن إنتاج 1 طن من ألياف القطن يستغرق 238 يوم عمل. في إنتاج الحرير الصناعي ، تقل تكاليف العمالة بحوالي 10 مرات عن تكلفة إنتاج الحرير الطبيعي. عندما يتم الحصول على 1 طن من الكحول الإيثيلي (ضروري لإنتاج عدد من المنتجات الاصطناعية) من المواد الخام البترولية ، يتم تقليل تكاليف العمالة بمقدار 20-22 مرة مقارنةً بإنتاج هذا الكحول من المواد الخام الغذائية. ... حاليا ، 100 ألف مركب كيميائي غير عضوي معروف في الطبيعة ، في حين أن عدد المواد العضوية المعروفة ، الطبيعية والاصطناعية ، قد تجاوز ثلاثة ملايين وما زال ينمو بسرعة. فقط المركبات المطورة صناعياً التي يتم الحصول عليها على أساس النفط لها 10 آلاف اسم. إلى جانب إنشاء مواد تركيبية جديدة ، هناك عملية مستمرة لتحسين جودة المواد الموجودة بالفعل التي تنتجها الصناعة. أخيرًا ، في الوقت الحالي ، تم إثبات الإمكانية الأساسية للحصول بشكل مصطنع على مركبات طبيعية من أي تعقيد. إن الوقت ليس ببعيد عندما يتم تصنيع أنواع مختلفة من المواد البروتينية المعقدة ، والتي هي أساس الحياة ، في مختبرات الكيميائيين العضويين.

من السمات المميزة للتكنولوجيا الحديثة أنها تتطور على أساس الاستخدام الأوسع للكهرباء. وإذا كان المحرك البخاري في وقت سابق قد وفر إلى حد ما فقط "المادة الخام" التكنولوجية للصناعة الكيميائية في شكل بخار وحرارة ، فإن الكهرباء أصبحت أهم عنصر في نوع من "المواد الخام" التكنولوجية ، على سبيل المثال ، عمليات مثل التحليل الكهربائي.

لإنتاج الأمونيا ، المُصنَّعة من الهيدروجين والنيتروجين الجوي الناتج عن التحليل الكهربائي للماء ، من الضروري استهلاك حوالي 12 ألف كيلو وات ساعة من الكهرباء. لتصنيع المطاط الصناعي على أساس الإيثيلين ، يتم استهلاك حوالي 15 ألف كيلوواط ساعة ، وبالنسبة لبعض أنواع المطاط الأخرى - 17 ألف كيلوواط - ساعة وأكثر. يتطلب إنتاج طن واحد من أسيتات الحرير 20 ألف كيلوواط في الساعة ، وأطنانًا من الفوسفور - من 14 إلى 20 ألف كيلوواط في الساعة وطنًا من المواد الكاشطة الاصطناعية - حوالي 6-9 آلاف كيلوواط - ساعة - وهذا هو نفس الشيء بالنسبة لـ إنتاج جرار قوي.

يتميز تطور الصناعة الكيميائية بأوسع أتمتة العمليات التكنولوجية... الأتمتة الشاملة ضرورية في المقام الأول على وجه التحديد في الصناعة الكيميائية ، التي تتميز بالإنتاج على نطاق واسع. يتم تسهيل أتمتة الصناعة الكيميائية من خلال غلبة عمليات الإنتاج المستمرة فيها ، فضلاً عن العمل الضار وحتى الخطير. في الصناعة الكيميائية ، أولاً وقبل كل شيء ، تكون عمليات تنظيم درجة الحرارة والضغط والتركيب ومعدل التفاعل وما إلى ذلك مؤتمتة بالكامل ، نظرًا لأنه من المهم بشكل خاص الحفاظ على استقرار الأنظمة التكنولوجية في العمليات الكيميائية المستمرة (التي يتعذر الوصول إليها للمراقبة المباشرة) . في الإنتاج الكيميائي ، تم تنفيذ الميكنة والأتمتة الكاملة ، وتبقى فقط وظائف الإشراف والتحكم ، وكذلك تنفيذ الإصلاحات الوقائية ، للشخص.

تتمثل أهم مجالات أتمتة الإنتاج الكيميائي في إدخال أجهزة أوتوماتيكية جديدة تعتمد على استخدام الآلات الرياضية الإلكترونية ، والانتقال إلى الميكنة المعقدة وأتمتة المصانع الكيميائية بأكملها. في الولايات المتحدة الأمريكية أعظم تطورلقد تلقت أتمتة الإنتاج على وجه التحديد في صناعات النفط والكيماويات. إلى جانب أتمتة التحكم في المصانع الفردية ، يتم تشغيل العمليات التكنولوجية الفردية بالكامل المؤسسات الآليةمثل ، على سبيل المثال ، مصفاة النفط ، التي تم تشغيلها عام 1949 ، والمجهزة بنظام تحكم إلكتروني لعمليات الإنتاج ، ومن ثم مصنع الأمونيا التابع لشركة Spencer Chemical Company ، والذي يتميز بدرجة عالية من أتمتة الإنتاج العمليات. أدى التطور السريع للكيمياء إلى حقيقة أنه في غضون 10 إلى 15 عامًا فقط بعد نهاية الحرب العالمية الثانية ، تم إنشاء مئات من المواد الجديدة ، لتحل محل المعادن والخشب والصوف والحرير والزجاج وغير ذلك الكثير.

تطوير إنتاج المواد التركيبية المطلوبة لتوفيرها تطور تقنيفي مختلف الصناعات اقتصاد وطني... في الوقت نفسه ، زيادة في إنتاج الأسمدة المعدنية ، وكذلك المبيدات الحشرية والأمونيا ، وزيادة استخدام النفط والغازات الطبيعية ، وغاز أفران الكوك ومنتجات فحم الكوك لإنتاج الراتنجات الاصطناعية والمطاط والكحول ، المنظفات والورنيشات عالية الجودة والأصباغ والبلاستيك والألياف الاصطناعية مميزة ، ومواد العزل الكهربائي ، مواد خاصةللهندسة الميكانيكية وهندسة الراديو وما إلى ذلك.

على وجه الخصوص ، إدخال جديد طرق فعالةالتوليف من أجل تجنب استهلاك كميات ضخمة من المنتجات الغذائية في إنتاج المنتجات التقنية. على سبيل المثال ، الاستهلاك كمية ضخمةوضعت الحبوب لإنتاج الكحول الإيثيلي لإنتاج المطاط الصناعي مهمة استبدال الطعام في الكحول الصناعي. للحصول على 1 طن من الكحول الإيثيلي بدلاً من 4 أطنان من الحبوب أو 10 أطنان من البطاطس ، يكفي استهلاك 2 طن من الغاز الطبيعي المسال. لإنتاج 1 طن من المطاط الصناعي ، بدلاً من حوالي 9 أطنان من الحبوب أو 22 طنًا من البطاطس ، يكفي إنفاق حوالي 5 أطنان فقط من الغازات المسالة من المصافي.

يعتقد العديد من الاقتصاديين أنه في العقد القادم ، سيتم اشتقاق أكثر من 50٪ من المنتجات الكيماوية في العالم من المواد الأولية للبترول. كل هذا يتحدث عن إنجازات عظيمة في التركيب العضوي.

بعد ثورة أكتوبر عام 1917 ، تطلب تطوير الإنتاج الاشتراكي توسيع مجال التطبيق العملي للكيمياء ، وزيادة دور التعليم الكيميائي والتكنولوجي الكيميائي الخاص ، ورفع مستوى تدريب الباحثين والمدرسين ، وكذلك المهندسين الكيميائيين. في أوائل العشرينات من القرن الماضي. يتم تنظيم أقسام كيميائية مستقلة كجزء من أقسام الفيزياء والرياضيات في الجامعات. أدخلت هذه الأقسام تخصصات في الكيمياء غير العضوية والفيزيائية والعضوية والتحليلية والكيمياء الحيوية والكيمياء الزراعية. في عام 1920 ، تم إنشاء معهد موسكو للتكنولوجيا الكيميائية. دي مندليف. منذ عام 1929 ، على أساس الأقسام الكيميائية في الجامعات ، تم افتتاح أقسام كيميائية مستقلة لتدريب المتخصصين لمؤسسات البحث العلمي ومختبرات الإنتاج الكيميائي ، وتم إنشاء معاهد تكنولوجية كيميائية جديدة.

منذ منتصف الخمسينيات. في الكيمياء والتكنولوجيا الكيميائية ، يتم إنشاء أفضل طرق البحث عن المواد المختلفة ، ويتم إنتاج مواد جديدة - الألياف الكيماوية ، والبلاستيك ، والمقاعد ، وأشباه الموصلات ، والمواد والأدوية الجديدة الفعالة من الناحية الفسيولوجية ، والأسمدة الكيماوية ومبيدات الفطريات. لقد تغلغلت الكيمياء في جميع فروع العلم والاقتصاد الوطني. لذلك ، أصبح التعليم الكيميائي جزءًا لا يتجزأ من تدريب المتخصصين في الفنون التطبيقية والصناعية والمعدنية والطاقة والكهربائية والميكانيكية وصنع الأدوات والجيولوجيا والتعدين والنفط والزراعية والغابات والطبية والبيطرية والغذائية والصناعات الخفيفة و العليا والثانوية المتخصصة الأخرى المؤسسات التعليمية.

يتم تدريب المتخصصين في النشاط العلمي والتربوي بشكل أساسي من قبل أقسام الكيمياء في الجامعات والمعاهد التربوية ، وكذلك من قبل أقسام الكيمياء البيولوجية والبيولوجية والكيميائية والعلوم الطبيعية ، إلخ.

يستمر تدريب الكيميائيين في الجامعات السوفيتية 5 سنوات (في المساء وأقسام المراسلة - حتى 6 سنوات). يتم هنا دراسة دورات خاصة في الكيمياء غير العضوية والعضوية والتحليلية والفيزيائية والغروية والكيمياء البلورية والتكنولوجيا الكيميائية العامة وكيمياء المركبات الجزيئية. أكثر من نصف وقت الدراسة في التخصصات الخاصة يشغلها عمل الطلاب في المختبرات. يخضع الطلاب لتدريب عملي (28 أسبوعًا) في المؤسسات والمؤسسات البحثية والمختبرات.

يستمر تدريب المتخصصين في الكيمياء والتكنولوجيا الكيميائية والمدرسين لمؤسسات التعليم العالي في مدارس الدراسات العليا. وأكبر مراكز تدريب الكيميائيين ، باستثناء الجامعات ، هي المعاهد التالية: سميت شركة لينينغراد التكنولوجية باسم DI Mendeleev Lensovet ، معهد موسكو للتكنولوجيا الكيميائية الدقيقة. MV Lomonosov ، التكنولوجيا البيلاروسية سميت باسم S. M. كيروف ، فورونيج التكنولوجية ، دنيبروبيتروفسك الكيميائية التكنولوجية سميت بعد F.E.Dzerzhinsky ، Ivanovo Chemical-Technological ، Kazan Chemical-Technological المسمى بعد S.M. Kirov ، كازاخستان الكيميائية التكنولوجية ، إلخ.

يتم تدريب المتخصصين الكيميائيين (الفنيين والتقنيين) أيضًا في المؤسسات التعليمية الثانوية المتخصصة - في المدارس الفنية الكيميائية والكيميائية والتكنولوجية ، الموجودة ، كقاعدة عامة ، في مراكز الصناعة الكيميائية ، في المصانع الكيميائية الكبيرة. في عام 1977 ، قام أكثر من 120 مؤسسة تعليمية بتدريب فنيين في أكثر من 30 تخصصًا كيميائيًا وتكنولوجيًا كيميائيًا (التكنولوجيا الكيميائية للنفط والغاز والفحم والزجاج ومنتجات الزجاج وتكنولوجيا الألياف الكيماوية ، إلخ). يتم استخدام أولئك الذين تخرجوا من هذه المؤسسات التعليمية في الصناعات الكيميائية مثل رؤساء العمال ، والملاحظين ، ومساعدي المختبرات ، ومشغلي الأجهزة ، وما إلى ذلك. تلبي المدارس المهنية الكيميائية التكنولوجية الحاجة إلى العمال المهرة في مختلف فروع الصناعة الكيميائية.

يرتبط تحسين بنية ومحتوى التعليم الكيميائي والتكنولوجي الكيميائي بالأنشطة العلمية والتربوية للعديد من العلماء السوفييت - A. E. ، DP Konovalova، SV Lebedeva، SS Nametkina، BV Nekrasova، AN Nesmeyanova، A.E Porai-Koshytsa، A.N Reformatsky، S.N Reformatsky، N.N Semenov، Y. K. تحسين المستوى العلمي لدورات الكيمياء والتكنولوجيا الكيميائية في التعليم العالي.

في البلدان المتقدمة ، المراكز الرئيسية لهيكل ومحتوى التعليم الكيميائي والتكنولوجي الكيميائي هي: بريطانيا العظمى - جامعات كامبريدج ، أكسفورد ، باث ، برمنغهام ، معهد مانشستر للفنون التطبيقية ؛ في إيطاليا - جامعات بولونيا وميلانو ؛ في الولايات المتحدة الأمريكية - جامعات كاليفورنيا ، كولومبيا ، ميتشيغان التكنولوجية ، جامعة توليدو ، كاليفورنيا ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ؛ في فرنسا - غرونوبل الأولى ، مرسيليا الأولى ، كليرمون فيران ، كومبيين تكنولوجي ، ليون الأول ، مونبلييه الثاني ، جامعات باريس السادسة والسابع ، معاهد لوران وتولوز للفنون التطبيقية ؛ في هيبانيا - جامعات دورتموند وهانوفر وشتوتغارت والمدارس الفنية العليا في دارمشتات وكارلسروه ؛ في اليابان - جامعات كيوتو ، أوكايام ، أوساكا ، طوكيو ، إلخ.

، م ، 1971 ؛

أساسيات التكنولوجيا والتركيب البتروكيماوي ، أد. منظمة العفو الدولية الأمراء و L.A. Potolovsky ، M. ، 1960.

مع التطور المستمر للعلوم والصناعة ، تقدم الكيمياء والتكنولوجيا الكيميائية للعالم ابتكارًا مستمرًا. كقاعدة عامة ، يكمن جوهرها في تحسين طرق معالجة المواد الخام إلى سلع استهلاكية و / أو وسائل إنتاج. يحدث هذا بسبب عدد من العمليات.

تسمح التقنيات الكيميائية الجديدة بما يلي:

ادخل إلى النشاط الاقتصاديأنواع جديدة من المواد الخام والمواد ؛
معالجة جميع أنواع المواد الخام على الإطلاق ؛
استبدال المكونات باهظة الثمن بنظرائها الأرخص ؛
لاستخدام المواد بطريقة معقدة: للحصول على منتجات مختلفة من نوع واحد من المواد الخام والعكس صحيح ؛
التكلفة المعقولة ، إعادة التدوير.

يمكننا القول أن التكنولوجيا الكيميائية العامة تعيد التوزيع والتنظيم إلى حد كبير عمليات الانتاج، وهو أمر مهم جدًا اليوم نظرًا للعديد من العوامل الإيجابية المهمة للأشخاص المرتبطين بالصناعة.

تصنيف ووصف القطاعات الفرعية

يمكن تصنيف التقنيات الكيميائية وفقًا لأنواع المواد التي تعمل بها: عضوية وغير عضوية. تعتمد تفاصيل العمل على مجموعة المهام وخصائص المجال الذي يركز عليه المنتج النهائي.

التكنولوجيا الكيميائية للمواد غير العضوية ، على سبيل المثال ، إنتاج الأحماض والصودا والقلويات والسيليكات والأسمدة المعدنية والأملاح. كل هذه المنتجات مستخدمة على نطاق واسع في صناعات مختلفة ، لا سيما صناعة المعادن ، وكذلك في الزراعةوإلخ.

في المستحضرات الصيدلانية والهندسة الميكانيكية ، غالبًا ما تستخدم المطاط والكحول والبلاستيك والأصباغ المختلفة وما إلى ذلك. يتم إنتاجها من قبل الشركات التي تستخدم تقنيات للحصول على المواد العضوية. يشغل العديد من هذه الشركات مناصب مهمة في الصناعة ، ويؤثر عملهم بشكل كبير على اقتصاد الدولة.

على الإطلاق ، تنقسم جميع عمليات وأجهزة التكنولوجيا الكيميائية إلى خمس مجموعات رئيسية:

ميكانيكي مائي.
الحرارية.
تعريف؛
المواد الكيميائية؛
ميكانيكي.

اعتمادًا على خصائص المنظمة ، تكون عمليات التكنولوجيا الكيميائية مستمرة ودورية.

المهام الحديثة للتكنولوجيا الكيميائية

فيما يتعلق بالاهتمام المتزايد بالوضع البيئي في العالم ، فقد زاد الطلب على الابتكارات التي يمكنها تحسين عمليات الإنتاج وتقليل حجم المواد الخام المستهلكة. هذا ينطبق أيضا على تكاليف الطاقة. هذا النوع من الموارد ذو قيمة كبيرة في إطار الإنتاج ، لذلك يجب مراقبة إنفاقه وتقليله إن أمكن. لهذا الغرض ، يتم تطوير وإدخال عمليات توفير الطاقة والموارد في التكنولوجيا الكيميائية بنشاط اليوم. بمساعدتهم ، يتم ترشيد الإنتاج ، وتجنب التكاليف الباهظة. اللوازمفئات مختلفة. وبالتالي ، يتم تقليل التأثير الضار لتقنيات الإنتاج الكيميائي والعوامل البشرية على الطبيعة.

أصبحت التكنولوجيا الكيميائية في الصناعة اليوم جزءًا لا يتجزأ من عمليات التصنيع للمنتج النهائي. من الصعب الجدال في حقيقة أن مجال النشاط البشري هذا هو الذي له التأثير الأكثر ضررًا على حالة الكوكب ككل. هذا هو السبب في أن العلماء يبذلون قصارى جهدهم لمنع حدوث ذلك كارثة بيئيةعلى الرغم من أن وتيرة الترويج لمثل هذه التطورات وتنفيذها لا تزال غير كافية.

يساهم استخدام التقنيات الكيميائية الحديثة في تحسين حالة الطبيعة ، وتقليل حجم المواد المستخدمة في الإنتاج ، وضمان استبدال المواد السامة بمواد أكثر أمانًا وإدخال مركبات جديدة في الإنتاج ، إلخ. المهمة هي استعادة الضرر الذي يلحق بالبيئة: استنفاد موارد الكوكب ، وتلوث الغلاف الجوي. في السنوات الأخيرة ، تم إجراء دراسات مختلفة في مجال البيئة وترشيد تأثير الإنتاج على البيئة بشكل فعال. مزيج من أداء فعالالشركات ذات السلامة وعدم السمية للمنتجات النهائية.

الأسس النظرية للتكنولوجيا الكيميائية

مع تطور الصناعات ذات الصلة ، فإنها تتعرض ل التحديث المستمروتحديث العمليات والأجهزة الأساسية للتكنولوجيا الكيميائية ، تتم دراسة الجوانب الرئيسية للإنتاج ومبادئ تشغيلها وتشغيل الآلات المستخدمة لأداء العمليات بشكل أعمق. أساس هذه التخصصات هو الأسس النظرية للتكنولوجيا الكيميائية.

في البلدان المعترف بها من قبل قادة العالم ، يعتبر تدريب الطلاب في التخصصات التقنية في هذا الاتجاه هو الأكثر أهمية. والسبب في ذلك ، أولاً ، هو الدور الحاسم لهندسة العمليات في أنشطة الصناعة الكيميائية. وثانيًا ، الأهمية المتزايدة لهذا التخصص على المستوى المشترك بين القطاعات.

على الرغم من الاختلافات الكبيرة بين الصناعات المختلفة ، إلا أنها تستند إلى نفس المبادئ والقوانين الفيزيائية المختلفة والعمليات الكيميائية التي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالصناعات الهندسية الحديثة ، بما في ذلك علم المواد. في السنوات الأخيرة ، توغلت التكنولوجيا الكيميائية بعمق حتى في المناطق التي لا يعترف فيها أي شخص بوجودها. وبالتالي ، في أسواق اليوم ، تتم مناقشة دور هندسة العمليات بشكل متزايد بمعنى أكثر عالمية من داخل عمليات صناعة واحدة.

أساسيات التكنولوجيا الكيميائية في التعليم المنزلي

إن التطوير الناجح لصناعة معينة أمر مستحيل في غياب مؤسسات تعليمية عالية الجودة تنتج متخصصين مؤهلين. نظرًا لأن الصناعة الكيميائية عنصر مهم في اقتصاد البلاد ، فمن الضروري تهيئة جميع الظروف اللازمة لتدريب الموظفين ذوي القيمة في هذا المجال. اليوم ، تعتبر أساسيات الهندسة الكيميائية جزءًا من المناهج الإلزامية للتخصصات ذات الصلة في العديد من مؤسسات التعليم العالي حول العالم.

لسوء الحظ ، مبادئ التدريس المجالات الفنيةفي روسيا وبعض بلدان رابطة الدول المستقلة تختلف جذريًا عن الأساليب المعتمدة في الدول الأوروبية وأمريكا. هذا يميل إلى أن يكون له تأثير سلبي على الجودة. تعليم عالى... على سبيل المثال ، لا يزال التركيز الرئيسي على تخصصات الهندسة الكيميائية الضيقة ، بالإضافة إلى الكثير من الاهتمام بفروع التصميم والصيانة للميكانيكا. لقد أصبح هذا المظهر الضيق للتعليم العالي هو السبب الرئيسي وراء تأخر الصناعات المحلية عن الصناعات الأجنبية من حيث جودة المنتج ، وكثافة الموارد ، والملاءمة البيئية ، إلخ.

كان الخطأ الرئيسي هو التقليل من أهمية هندسة العمليات باعتبارها العمود الفقري والانضباط القابل للتطبيق بشكل شامل ، وفي الوقت الحالي تتمثل المهمة الرئيسية للصناعة المحلية في إيلاء المزيد من الاهتمام لتطويرها وتطويرها. اليوم ، تعد قضايا تدريب الموظفين المؤهلين ، وكذلك إنشاء الإنتاج وتحسينه ، من أكثر المشاكل إلحاحًا في رابطة الدول المستقلة والاتحاد الروسي على وجه الخصوص.

لوقت طويلتم إنتاج سلع الطلب اليومي اللازمة للفرد (طعام ، ملابس ، دهانات) عن طريق معالجة المواد الخام الطبيعية ذات الأصل النباتي بشكل أساسي. تتيح التقنيات الكيميائية الحديثة إمكانية تصنيع العديد من المنتجات المتنوعة والمتنوعة في خصائصها من المواد الخام ، ليس فقط من المواد الطبيعية ، ولكن أيضًا ذات الأصل الاصطناعي. إن إمكانات التحولات الكيميائية للمواد الطبيعية لا حصر لها حقًا. زيادة تدفقات المواد الخام الطبيعية: النفط والغاز والفحم والأملاح المعدنية والسيليكات والخام ، إلخ. - التحول إلى دهانات وورنيش وصابون وأسمدة معدنية ووقود محركات وبلاستيك وألياف صناعية ومنتجات وقاية نباتية ومواد نشطة بيولوجيًا وأدوية ومواد خام مختلفة لإنتاج مواد أخرى ضرورية وقيمة.

معدل التطور العلمي والتقني للتقنيات الكيميائية ينمو بسرعة. إذا كان في منتصف القرن التاسع عشر. استغرق الأمر 35 عامًا للتطوير الصناعي للعملية الكهروكيميائية لإنتاج الألمنيوم ، ثم في الخمسينيات من القرن العشرين. تم إنشاء إنتاج البولي إيثيلين منخفض الضغط على نطاق واسع في أقل من 4 سنوات. على ال الشركات الكبيرةالدول المتقدمة حوالي 25٪ القوى العاملةعلى البحث والتطوير ، وتطوير تقنيات ومواد جديدة ، مما يسمح في حوالي 10 سنوات بتحديث نطاق المنتجات بشكل كبير. في كثير من البلدان المؤسسات الصناعيةتنتج حوالي 50٪ من المنتجات التي لم يتم إنتاجها على الإطلاق منذ 20 عامًا. في بعض المؤسسات المتقدمة تصل حصتها إلى 75-80٪.

يعد تطوير مواد كيميائية جديدة عملية شاقة ومكلفة. على سبيل المثال ، من أجل إيجاد وتركيب عدد قليل فقط من المستحضرات الطبية المناسبة للإنتاج الصناعي ، من الضروري إنتاج 4000 نوع من المواد على الأقل. بالنسبة لمنتجات وقاية النبات ، يمكن أن يصل هذا الرقم إلى 10000. في الماضي القريب ، في الولايات المتحدة ، لكل منتج كيميائي تم إدخاله في الإنتاج الضخم ، كان هناك حوالي 450 مشروعًا للبحث والتطوير ، تم اختيار 98 منها فقط للإنتاج التجريبي. بعد الاختبارات التجريبية ، وجد ما لا يزيد عن 50٪ من المنتجات المختارة تطبيقات عملية واسعة النطاق. ومع ذلك ، فإن الأهمية العملية للمنتجات التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة المعقدة كبيرة جدًا لدرجة أن تكاليف البحث والتطوير تؤتي ثمارها بسرعة كبيرة.

بفضل التفاعل الناجح للكيميائيين والفيزيائيين والرياضيين وعلماء الأحياء والمهندسين وغيرهم من المتخصصين ، تظهر التطورات الجديدة التي قدمت نموًا مثيرًا للإعجاب في إنتاج المنتجات الكيميائية في العقد الماضي ، كما يتضح من الأرقام التالية. إذا زاد الإنتاج الإجمالي في العالم لمدة 10 سنوات (1950-1960) بنحو 3 أضعاف ، فإن حجم الإنتاج الكيميائي خلال نفس الفترة زاد 20 مرة. على مدى عشر سنوات (1961-1970) ، كان متوسط النمو السنوي للإنتاج الصناعي في العالم 6.7٪ ، والإنتاج الكيميائي - 9.7٪. في السبعينيات ، أدى نمو الإنتاج الكيميائي ، الذي بلغ حوالي 7 ٪ ، إلى زيادته بنحو الضعف. من المفترض أنه مع معدلات النمو هذه بحلول نهاية هذا القرن ، ستحتل الصناعة الكيميائية المركز الأول من حيث الإنتاج.

تغطي التقنيات الكيميائية والإنتاج الصناعي المرتبط بها جميع المجالات الأكثر أهمية للاقتصاد الوطني ، بما في ذلك مختلف قطاعات الاقتصاد. يظهر تفاعل التقنيات الكيميائية ومختلف مجالات النشاط البشري تقليديًا في الشكل. 6.1 ، حيث يتم تقديم الترميز: أ- الصناعات الكيماوية والنسيجية ولب الورق والورق صناعة خفيفةوإنتاج الزجاج والسيراميك وإنتاج المواد المختلفة والبناء والتعدين والمعادن. ب- الهندسة الميكانيكية وصنع الأدوات ، والإلكترونيات والهندسة الكهربائية ، والاتصالات ، والشؤون العسكرية ، والزراعة والغابات ، وصناعة الأغذية ، وحماية البيئة ، والرعاية الصحية ، والأسرة ، ووسائل الإعلام ؛ الخامس- زيادة إنتاجية العمل وتوفير المواد والنجاح في الرعاية الصحية ؛ جي- تحسين ظروف العمل والمعيشة وترشيد العمل العقلي ؛ د- الصحة والغذاء والملابس والراحة ؛ ه- الإسكان ، والثقافة ، والتربية ، والتعليم ، وحماية البيئة ، والدفاع.

فيما يلي بعض الأمثلة على تطبيق التقنيات الكيميائية. لإنتاج أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، هناك حاجة إلى دوائر متكاملة ، تعتمد تكنولوجيا تصنيعها على استخدام السيليكون. ومع ذلك ، في الطبيعة لا يوجد سيليكون في كيميائيا شكل نقي... لكن بكميات كبيرة يوجد ثاني أكسيد السيليكون على شكل رمل. تجعل التقنيات الكيميائية من الممكن تحويل الرمل العادي إلى عنصر السيليكون. مثال نموذجي آخر. النقل بالسياراتيحرق كمية هائلة من الوقود. ما الذي يجب القيام به لتقليل تلوث العادم؟ تم حل جزء من هذه المشكلة بمساعدة المحول الحفاز للسيارات لغازات العادم. يتم توفير حلها الجذري من خلال استخدام التقنيات الكيميائية ، وبالتحديد ، التلاعب الكيميائي على المواد الخام - النفط الخام ، معالجته إلى منتجات مكررة يتم حرقها بكفاءة في محركات السيارات.

يرتبط جزء كبير من سكان العالم بشكل مباشر أو غير مباشر بالتقنيات الكيميائية. لذلك ، بحلول نهاية الثمانينيات من القرن العشرين. في دولة واحدة فقط ، الولايات المتحدة ، تم توظيف أكثر من مليون شخص في الصناعة الكيميائية والصناعات ذات الصلة ، بما في ذلك أكثر من 150.000 عالم ومهندس عمليات. في تلك السنوات ، باعت الولايات المتحدة ما قيمته 175-180 مليار دولار من المنتجات الكيماوية سنويًا.

تُجبر التكنولوجيا الكيميائية والصناعة المرتبطة بها على الاستجابة لرغبة المجتمع في الحفاظ على البيئة. اعتمادًا على المناخ السياسي ، يمكن أن تتراوح هذه الرغبة بين الحذر المعقول والذعر. على أي حال ، فإن النتيجة الاقتصادية هي زيادة أسعار المنتجات بسبب تكاليف تحقيق الهدف المنشود المتمثل في الحفاظ على البيئة ، وضمان سلامة العمال ، وإثبات عدم ضرر وفعالية المنتجات الجديدة ، وما إلى ذلك بالطبع ، كل هذه التكاليف يدفعها المستهلك وينعكس ذلك بشكل كبير على القدرة التنافسية للمنتجات.

تهم بعض الأرقام المتعلقة بالمنتجات المصنعة والمستهلكة. في أوائل السبعينيات من القرن العشرين. استخدم سكان المدينة العاديون 300-500 منتج كيميائي مختلف في حياته اليومية ، منها حوالي 60 - في شكل منسوجات ، وحوالي 200 - في الحياة اليومية ، وفي العمل وأثناء أوقات الفراغ ، وحوالي 50 دواءً ونفس الكمية من الطعام و تحضير الطعام. تتضمن تكنولوجيا تصنيع بعض المنتجات الغذائية ما يصل إلى 200 عملية كيميائية مختلفة.

منذ حوالي عشر سنوات ، كان هناك أكثر من مليون نوع من المنتجات المصنعة في الصناعة الكيميائية. بحلول ذلك الوقت ، كان العدد الإجمالي للمركبات الكيميائية المعروفة أكثر من 8 ملايين ، بما في ذلك حوالي 60 ألف مركب غير عضوي. أكثر من 18 مليون مركب كيميائي معروف اليوم. في جميع مختبرات كوكبنا ، يتم تصنيع 200-250 مركبًا كيميائيًا جديدًا كل يوم. يعتمد تخليق المواد الجديدة على إتقان التقنيات الكيميائية وإلى حد كبير على كفاءة إدارة التحولات الكيميائية.

درس-ندوة الصف 11

هذه الندوة ، المصممة لمدة ساعتين في فصول غير الكيمياء ، لمدة 3 ساعات في فصول التعليم العام و 4-5 ساعات في فصول العلوم الطبيعية ، يتم إجراؤها كتعميم في ختام الدورة المدرسية وتهدف إلى إظهار دور الطلاب الكيمياء كقوة منتجة للمجتمع.

الخطة الدراسية

1. التكنولوجيا الكيميائية (التعريف ، تاريخ المنشأ والتطور ، الدور في الإنتاج الحديث ، تصنيف عمليات الإنتاج الكيميائي ، المهام).

2. التكنولوجيا الحيوية (التعريف ، مراحل التكوين ، اتجاهات التكنولوجيا الحيوية ، مجالات التطبيق).

3. تقنية النانو (التعريف ، مناهج تقنية النانو وخصائصها ، المواد النانوية ، التطبيقات).

المعلم (الملاحظات الافتتاحية). يتميز العالم الحديث بالتطور السريع للتقدم العلمي والتكنولوجي. بالإضافة إلى تحسين التكنولوجيا الكيميائية التقليدية ، فإن مثل هذه المجالات من العلوم والصناعة تتطور بسرعة ، والتي كانت حتى وقت قريب تعتبر غريبة: التكنولوجيا الحيوية وتكنولوجيا النانو. إنهم يكتسبون دورًا متزايدًا في مختلف مجالات حياة كل شخص على حدة والمجتمع ككل: في الحياة اليومية (نادرًا ما يكون هناك شخص لم يسمع بالكائنات المعدلة وراثيًا - الكائنات المعدلة وراثيًا) ، في الاقتصاد والصناعة والزراعة (تشير التقديرات إلى أنه في عام 2015 ، ستكلف السلع والخدمات المنتجة على أساس تكنولوجيا النانو أكثر من تريليون دولار) ، في العلاقات الدولية (بدأ السباق العالمي على الريادة في تكنولوجيا النانو ، حيث بدأت الولايات المتحدة واليابان والصين الآن). انضمت روسيا مؤخرًا إلى هذا السباق - وقد تم اعتماد برنامج وطني ذي أولوية لتطوير تكنولوجيا النانو ، حيث تخصص الحكومة أموالًا كبيرة له. من الواضح أن هذا المجال من العلم والإنتاج سيتطلب تدريب متخصصين من الدرجة العالية. من الواضح أن تدريبهم سيتم في الأقسام والكليات المنشأة خصيصًا للجامعات الروسية الرائدة. من الواضح أيضًا أن الكيمياء يجب أن تمنحك المعرفة الأولى بالتكنولوجيا الحيوية والنانوية.

ومع ذلك ، لنبدأ بالتكنولوجيا الكيميائية..

التكنولوجيا الكيميائية

الطالب الأول. تكنولوجياهو علم الإنتاج. التكنولوجيا الكيميائية- أحد أهم أقسام التكنولوجيا ، والذي يُفهم على أنه علم الأساليب والوسائل الأكثر اقتصادا لتحويل المواد الخام الطبيعية إلى منتجات استهلاكية ومنتجات وسيطة لفروع أخرى من إنتاج المواد.

دعونا نفكر بإيجاز في تاريخ ظهور التكنولوجيا الكيميائية وتطورها. في البداية كان قسمًا وصفيًا للكيمياء التطبيقية. ثم ، في النصف الأول من القرن التاسع عشر ، أصبحت التكنولوجيا الكيميائية صناعة منفصلةالمعرفه. في عام 1803 ، تم إنشاء قسم التكنولوجيا الكيميائية في الأكاديمية الروسية للعلوم. أخيرًا ، أصبحت التكنولوجيا الكيميائية نظامًا علميًا مستقلاً في بداية القرن العشرين ، عندما تم تطوير عقيدة العمليات والأجهزة الأساسية للإنتاج الكيميائي والقوانين العامة للعمليات التكنولوجية الكيميائية.

كانت مرحلة جديدة في تطوير التكنولوجيا الكيميائية هي الاستخدام في نهاية الستينيات. القرن العشرين الأفكار والأساليب و الوسائل التقنيةعلم التحكم الآلي في الإنتاج الكيميائي ، مما أدى إلى ظهور النمذجة الرياضية وتقنيات الكمبيوتر لتحسين وأتمتة العمليات الكيميائية.

الطالب الثاني الذي أعد عرضا عن دور التكنولوجيا الكيميائية كقاعدة علمية وصناعية أهم الصناعاتالصناعة ، تكشفها باستخدام المخطط 1.

مخطط 1

الطالبان الآخران يتحدثان عن تصنيف عمليات التصنيع الكيميائي. يترافق تواصلهم مع عرض توضيحي لنماذج هذه العمليات المستخدمة في دراسة الكيمياء.

الطالب الثالث. يتم تقليل المجموعة الكاملة لعمليات الإنتاج الكيميائي إلى 5 مجموعات.

1. ميكانيكي- التكسير ، الغربلة * ، التحبيب ، الأقراص ، نقل المواد الصلبة ، التعبئة والتغليف.(عرض توضيحي لمقاطع فيديو وعينات من منتجات هذه المجموعة من العمليات الكيميائية (حبيبات ، أقراص ، عينات تغليف ، إلخ).)

2. الهيدروديناميكية- حركة السوائل والغازات عبر الأنابيب والأجهزة ، النقل الهوائي ، التعويم ، الطرد المركزي ، الترسيب ، الصب ، الخلط.(عرض مقاطع فيديو لصناعات كيميائية معينة ، عمل جهاز طرد مركزي (يركز المعلم انتباه الطلاب على أن هذه العملية تُستخدم على نطاق واسع في الأجهزة المنزلية- الغسالات ، الفواصل ، إلخ) ، تعويم مسحوق الكبريت ، ترسيب الشوائب الموجودة في الماء باستخدام مواد التخثر ، صب المحلول من حليب الجير المستقر ، محاليل التقليب باستخدام قضبان زجاجية مزودة برأس مطاطي (يسأل المعلم عن أمثلة للخلط المألوف لدى الطلاب من الممارسة اليومية).)

الطالب الرابع (يواصل تصنيف عمليات الإنتاج الكيميائي).

3. الحرارية- التبخر ، التكثيف ، التسخين ، التبريد ، التبخر... (عرض توضيحي لمقاطع فيديو لصناعات كيميائية معينة ومنشآت معملية ، وكذلك: تقطير الماء في جهاز تقطير أو تركيب منزلي الصنع ، وتبخر محلول كلوريد الصوديوم.)

4. الانتشار- الامتصاص ، الامتصاص ، التقطير ، التصحيح ، التجفيف ، التبلور ، التسامي ، الاستخلاص ، الترشيح ، التبادل الأيوني.(عرض مقاطع فيديو لصناعات كيميائية معينة ومنشآت ومعدات المختبرات والأجهزة (تركيبات الترشيح ، أفران مفل ، بلورة ، مبادلات أيون ، بما في ذلك مرشحات التبادل الأيوني المنزلية للمياه) ، وكذلك: الامتصاص بمثال إذابة كلوريد الهيدروجين أو الأمونيا في الماء ("نافورة في قارورة") ، الامتزاز كربون مفعلصبغ من المحلول ، واستخراج الكلوروفيل مع الكحول الإيثيلي.)

5. الكيميائية ،والتي تعتمد على التحويل الكيميائي للمادة الأولية.

تم الكشف عن هذه المجموعة من العمليات التكنولوجية للإنتاج الكيميائي أيضًا من قبل طالبين.

الطالب الخامس. يمكن تصنيف العمليات الكيميائية وفقًا لمعايير مختلفة.

للمواد الخام: المعدنية والحيوانية وكذلك معالجة الفحم والنفط والغاز.(سيكون من المناسب للمعلم أن يطلب من الطلاب أن يتذكروا إنتاج فحم الكوك المنتج الثانوي والتوجيهات الرئيسية لمعالجة النفط والغازات الطبيعية والمصاحبة.)

حسب خصائص المستهلك أو المنتج: إنتاج الأصباغ والأسمدة والأدوية ، إلخ.(يطلب المعلم من الطلاب تذكر تصنيف وإنتاج أهم الأسمدة المعدنية).

حسب مجموعات النظام الدوري : الحصول على معادن الأرض القلوية والقلوية والألمنيوم وغيرها.(يطلب المعلم من الطلاب تذكر الإنتاج الكهربائي للمعادن الأرضية القلوية والقلوية والألمنيوم).

الطالب السادس. يتم تصنيف العمليات الكيميائية أيضًا وفقًا للمعايير التالية.

حسب الأنواع تفاعلات كيميائية: أكسدة ، اختزال ، هدرجة ، كلورة ، بلمرة ، إلخ.(يطلب المعلم من الطلاب أن يتذكروا ويقدموا أمثلة على ردود الفعل ذات الصلة.)

حسب المرحلة: متجانسة (المرحلة السائلة والطور الغازي) ، غير متجانسة.(يطلب المعلم من الطلاب أن يتذكروا ويقدموا أمثلة على العمليات ذات الصلة.)

مدرس (تلخيص). يضع التكنولوجيا الكيميائية الحديثة مهامالاستخدام المتكامل للمواد الخام والطاقة ، والجمع والتعاون بين مختلف الصناعات ، واستمرارية العمليات التكنولوجية في الإنتاج ، والسلامة البيئية والجدوى الاقتصادية.

ومع ذلك ، يجب التأكيد على أن الإنتاج الحديث للمواد والمواد يتحول غالبًا إلى مساعدة الكائنات الحية والعمليات البيولوجية ، أي للتكنولوجيا الحيوية.

التكنولوجيا الحيوية

الطالب السابع (يعرف ويتحدث عن تاريخ نشأة وتطور التكنولوجيا الحيوية). التكنولوجيا الحيوية -أحد أهم أقسام التكنولوجيا ، والذي يُفهم على أنه علم استخدام الكائنات الحية والعمليات البيولوجية في الإنتاج.

هناك ثلاث مراحل في تكوين هذا العلم والصناعة: التكنولوجيا الحيوية المبكرة أو التلقائية ، والتكنولوجيا الحيوية الجديدة وأحدث التقنيات الحيوية.

التكنولوجيا الحيوية المبكرة أو التلقائيةيرتبط بعمليات التخمير الميكروبيولوجية المألوفة للإنسان منذ العصور القديمة ، وهي أساسية: الخبز ، وصناعة النبيذ ، والتخمير ، وصنع الجبن ، ومنتجات اللبن الزبادي ، والتخمير ، وألياف الكتان ، إلخ.

تعتمد عمليات التكنولوجيا الحيوية التلقائية على نشاط الكائنات الحية الدقيقة والإنزيمات ، التي تحتفظ بنشاطها البيولوجي في ظل ظروف معينة وخارج الخلية الحية.(يرافق الطالب هذا الجزء من رسالته مع عرض لمجموعة من المنتجات الغذائية المصنوعة بهذه الطريقة (زجاجة نبيذ ، وقطعة خبز وجبن ، وما إلى ذلك).)

التكنولوجيا الحيوية الجديدةالمرتبطة بإدخال مصطلح "التكنولوجيا الحيوية" في العلوم من منتصف السبعينيات. القرن العشرين واستخدام الأساليب البيولوجية لمكافحة التلوث البيئي (المعالجة البيولوجية) ، وإنتاج المواد الفعالة بيولوجيا القيمة (المضادات الحيوية ، والإنزيمات ، والمستحضرات الهرمونية ، والفيتامينات ، وما إلى ذلك) ، لحماية النباتات من الآفات والأمراض.(عرض توضيحي لعينات من منتجات التكنولوجيا الحيوية.) على أساس التوليف الميكروبيولوجي ، تم تطوير طرق صناعية لإنتاج البروتينات والأحماض الأمينية المستخدمة كمضافات علفية.

أحدث التقنيات الحيويةلا يقتصر الأمر على تطوير التوليفات الميكروبيولوجية المتنوعة فحسب ، بل يرتبط أولاً وقبل كل شيء بظهور وتطوير الهندسة الوراثية وهندسة الخلايا والهندسة البيولوجية. تستند إنجازات أحدث التقنيات الحيوية إلى تكامل التخصصات البيولوجية مثل علم الأحياء الدقيقة والكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية وعلم الوراثة الجزيئي وعلم المناعة.

الطالب الثامن (يتحدث عن الهندسة الوراثية). الهندسة الوراثية- هذا قسم من التقانة الحيوية مرتبط بالتصميم الهادف لتركيبات جديدة ، غير موجودة في الطبيعة ، من الجينات المدخلة في الخلايا الحية القادرة على تصنيع منتج معين.

تعمل مجموعات الجينات التي صممها المهندسون الوراثيون في الخلية المتلقية وتوليف البروتين المطلوب. من الأمور ذات الأهمية العملية بشكل خاص إدخال تركيبات جينية مختلفة في جينوم الحيوانات والنباتات: كل من المركب والجينات للحيوانات والنباتات والبشر الأخرى. تسمى هذه النباتات والحيوانات معدل جينياومنتجات معالجتها - المنتجات المعدلة وراثيا... تضاف الذرة المعدلة وراثيا إلى الحلويات و منتجات المخبز، المشروبات الغازية؛ يوجد فول الصويا المعدل في الزيوت المكررة ، والسمن النباتي ، ودهون الخبز ، وتوابل السلطة ، والمايونيز ، والمعكرونة ، والنقانق المطبوخة ، والحلويات ، ومكملات البروتين ، والأعلاف الحيوانية وحتى أغذية الأطفال.(عرض لمجموعة من المنتجات الغذائية التي تحتوي على كائنات معدلة وراثيًا (GMOs) وملصقات مع ملصقاتها.)

يتيح لك التعديل الجيني للنباتات إنشاء أنواع نباتية ذات مستوى عالٍ من المقاومة للأعشاب الضارة والآفات. هذا يقلل من استهلاك مبيدات الأعشاب عدة مرات ، وبالتالي تقليل الحمل الكيميائي على البيئة. في الوقت الحاضر ، تُزرع في الخارج أصناف معدلة وراثيًا من القطن وبذور اللفت وفول الصويا والذرة وبنجر السكر المقاومة لمبيدات الأعشاب.

تشمل الممارسة الزراعية الأصناف المعدلة وراثيا ذات الخصائص الاستهلاكية المتزايدة ، على سبيل المثال ، محاصيل البازلاء وفول الصويا والحبوب التي تحتوي على تركيبة بروتينية محسنة. تم إنتاج طماطم معدلة وراثيا بدون بذور والكرز الخالي من البذور والبطيخ والحمضيات في الطريق.

عن طريق الهندسة الوراثية في كندا ، تم الحصول على العنب الذي تم زرعه مع الجين لمقاومة الصقيع من الملفوف البري ، وظهرت مزارع الكروم لأول مرة في هذا البلد.

في تربية الحيوانات ، تم الحصول على سلالات من الحيوانات عالية الإنتاجية (الأغنام ، الخنازير ، الدجاج ، إلخ) باستخدام الهندسة الوراثية.

في علم العقاقير ، جعلت طرق الهندسة الوراثية من الممكن إنتاج لقاحات عالية الفعالية ضد الهربس ، والسل ، والكوليرا ؛ في الصناعة الكيميائية ، أشكال جديدة من الخميرة والبكتيريا يمكن أن تقتل تسرب النفط.

الطالب التاسع (يتحدث عن هندسة الخلايا). هندسة الخلية- طريقة لبناء خلايا من نوع جديد.

تسمح لهم زراعة الخلايا بالحفاظ على صلاحيتها خارج الجسم في ظروف مصطنعة لوسط غذائي سائل أو كثيف. تُستخدم هذه النسخ من الخلايا كنوع من المصانع لإنتاج المواد النشطة بيولوجيًا ، على سبيل المثال ، هرمون الإريثروبويتين ، الذي يحفز تكوين خلايا الدم الحمراء. تم الحصول على عوامل تخثر الدم (الثالث والثامن) عن طريق هندسة الخلايا لعلاج الهيموفيليا ، والأنسولين لعلاج مرض السكري ، والبروتين السطحي لفيروس التهاب الكبد B للحصول على اللقاح المقابل.

أشهر ظاهرة هندسة الخلية التي يعرفها الشخص العادي هي استنساخ الكائنات الحية (تذكر النعجة دوللي الشهيرة). تُعرف استنساخ دودة القز التي تمت تربيتها بواسطة الأكاديمي V.؟ A.؟ Strunnikov في جميع أنحاء العالم.

الاتجاه الواعد اليوم هو الاستنساخ في مجال علم الأجنة التجريبي ، والذي يرتبط نجاحه أولاً وقبل كل شيء بما يسمى بالخلايا الجذعية الجنينية. أهم خاصية لهذه الخلايا هي أن المعلومات الجينية الموجودة في نواتها هي ، كما كانت ، في حالة راحة ، أي في الخلايا الجذعية الجنينية ، لم يتم بعد إطلاق برنامج التمايز في هذا النسيج أو ذاك. يمكنهم اعتماد أي برنامج والتطور إلى واحد من 150 نوعًا ممكنًا من الخلايا الجرثومية. تنتظر الخلايا الجنينية فقط إشارة خاصة لبدء أحد تحولاتها. هذه القدرة المذهلة تمليها الزيادة في خلايا الحمض النووي الريبي لجميع الجينات المسؤولة عن نمو الجنين في مرحلة مبكرة من التطور الجنيني. تسمح العوامل التي تجعل الخلايا الجنينية فريدة من نوعها باستخدامها لتنمية مجموعة ضخمة من الأنسجة وأي عضو بشري. وتجدر الإشارة إلى أن جزر الخلايا الجذعية الجنينية توجد في أعضاء وأنسجة مختلفة. هذه الخلايا هي التي تجعل من الممكن استعادة الأعضاء والأنسجة التالفة وعلاج العديد من الأمراض الخطيرة. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن التجارب على استنساخ البشر وتنامي الخلايا الجذعية الجنينية البشرية محظورة في العديد من البلدان.

الطالب العاشر (يتحدث عن الهندسة البيولوجية). الهندسة البيولوجية- طرق استخدام الكائنات الدقيقة كمفاعلات حيوية للحصول على المنتجات الصناعية.

هذا القسم من التكنولوجيا الحيوية مهم بشكل خاص لروسيا ، التي تعيش ، للأسف ، بشكل أساسي من خلال بيع الموارد. متوسط عائد حقول النفط في بلادنا لا يتجاوز 50٪. تلقت شركة TATNEFT ، باستخدام تقنية ميكروبيولوجية جديدة فريدة لتنظيم البكتيريا الدقيقة لخزانات النفط ، نصف مليون طن إضافي من النفط في حقول بشكيريا.

تعتبر التقنيات الميكروبيولوجية فعالة في إنتاج المعادن غير الحديدية والمعادن الحديدية. تؤدي التكنولوجيا التقليدية القائمة على التحميص إلى حقيقة أن كميات كبيرة من أكاسيد الكبريت والنيتروجين تنبعث في الغلاف الجوي ، والتي تعمل كأساس لـ "المطر الحمضي". التكنولوجيا القائمة على الهندسة البيولوجية خالية من هذه العيوب. في إقليم كراسنويارسك ، على سبيل المثال ، هناك ثمانية أجهزة تخمير ميكروبيولوجية تعمل ، مما يجعل من الممكن استخراج الذهب من الصخور ذات المحتوى المنخفض من هذا المعدن. العالم الحديث، التي تعاني من نقص حاد في النحاس والموليبدينوم والمعادن غير الحديدية الأخرى ، تتطلع إلى حلها بمساعدة الأساليب الميكروبيولوجية.

تجدر الإشارة إلى العمل المنجز في معهد علم الأحياء الدقيقة التابع للأكاديمية الروسية للعلوم على طريقة جديدة لتقليل تركيز الميثان في المناجم باستخدام البكتيريا الميثانية التغذية. وغني عن القول ، أهمية هذا العمل على خلفية التقارير الإعلامية المتكررة حول المآسي في مناجم الفحم.

إن المجال الواعد في الهندسة البيولوجية هو إنتاج الإنزيمات المعطلة.

الإنزيمات الثابتة هي مستحضرات من الإنزيمات التي ترتبط جزيئاتها تساهميًا بحامل بوليمر غير قابل للذوبان في الماء. هذه الإنزيمات فعالة للاستخدام في مختلف مجالات الاقتصاد الوطني. وبالتالي ، يمكن استخدام الإنفرتيز المستخرج من الخميرة لإنتاج العسل الاصطناعي ؛ اللاكتاز - للحصول على حليب غذائي يحتوي على نسبة منخفضة من اللاكتوز وكحولات الجلوكوز والجالاكتوز من مصل اللبن ؛ اليورياز - لتنقية الدم في جهاز "الكلى الاصطناعية".

تم تطوير أشكال ثابتة من البروتياز البكتيري ، والتي تُستخدم للحصول على محللات البروتين ومخاليط من الأحماض الأمينية للتغذية الأنبوبية والوريدية في الممارسة الطبية. لعلاج أمراض القلب والأوعية الدموية ، تم تطوير مستحضر الستربتوكيناز المعطّل ، والذي يمكن حقنه في الأوعية لإذابة الجلطات الدموية المتكونة فيها. يعد استخدام الإنزيمات المعطلة للأغراض التحليلية (على شكل أقطاب إنزيمية) واعدًا.

تقنية النانو

الطالب الحادي عشر (يعطي تعريفًا لتقنية النانو ويتحدث عن النهجين الموجودين فيها ، ويكون الخطاب مصحوبًا بعرض تقديمي بالحاسوب). تُفهم تقنية النانو على أنها توليف محكوم للهياكل الجزيئية للحصول على المواد والمواد ليس من المواد الخام العادية ، ولكن مباشرة من الذرات والجزيئات باستخدام أجهزة خاصةعلى أساس الذكاء الاصطناعي.

تم تشكيل اسم العلم الجديد نتيجة إضافة كلمة "تكنولوجيا" إلى البادئة "نانو" ، مما يعني انخفاض في مقياس القياسات بمعامل مليار: 1 نانومتر (1 نانومتر) هو واحد على مليون من المليمتر ، أي 1 نانومتر = 10 –9 م من أجل تمثيل هذه القيمة مجازيًا ، نستخدم المقارنة التالية: 1 نانومتر أقل بمليون مرة من سمك صفحة كتاب مدرسي. يبلغ طول عشر ذرات هيدروجين مرتبة في صف واحد 1 نانومتر ، والمثير للدهشة أن جزيء الحمض النووي البشري يبلغ قطره 1 نانومتر.

تشير تقنية النانو إلى عمليات معالجة الأشياء بحجم من 1 إلى 100 نانومتر.

بشكل عام ، هناك طريقتان فقط لتقنية النانو. يطلق عليهم تقليديا "من أعلى إلى أسفل" و "من أسفل إلى أعلى".

النهج الأول هو "من أعلى إلى أسفل"بناءً على تقليل حجم المواد الخام أو المواد المصنعة إلى معايير مجهرية. لذلك ، على سبيل المثال ، يتم الحصول على أجهزة أشباه الموصلات عن طريق معالجة قطع العمل الخاصة بها باستخدام الليزر أو الأشعة السينية. هذه الأشعة ، التي تمر عبر الاستنسل ، تنشئ بنية الرقاقة اللازمة على المادة الأولية. هذه الطريقة في تكنولوجيا النانو تسمى الليثوغرافيا الضوئية(الطباعة الحجرية تحصل على بصمة لصورة منحوتة على حجر على مادة). يمكن أن يكون مشابهًا لرسم الصور أو النقوش على القمصان. أحد أشكال هذه الطريقة في عالم النانو هو بصمة الطباعة الحجرية... في هذه الحالة ، يتم تطبيق نمط على بوليمر هلام السيليكا الشبيه بالمطاط باستخدام أدوات مسبار ، ثم يتم تغليفه بنوع من الحبر الجزيئي. يمكن عمل بصمات هذا "الختم المطاطي" على أي سطح (على سبيل المثال ، للحصول على شرائح كمبيوتر ذات أحجام نانوية).

والنتيجة هي تكوين مخطط قاعدة البيانات المخطط. يتم تحديد دقة هذه الرقائق (الحجم الأدنى لعناصرها) بواسطة الطول الموجي لليزر. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على دوائر ذات أحجام عناصر تصل إلى 100 نانومتر. وبالتالي ، فإن هذا الأسلوب يسمح للشخص بالحصول على أكبر المواد والأجهزة في عالم النانو.

النهج الثاني لتكنولوجيا النانو - "من أسفل إلى أعلى"يتكون من حقيقة أن التصميم المطلوب يتم تنفيذه عن طريق التجميع من عناصر من أدنى رتبة (ذرات ، جزيئات ، مجموعات ، إلخ). بالنسبة لهذا النوع من تكنولوجيا النانو ، يتم استخدام أدوات مسح مسبار. يمكنهم تحريك الذرات أو الجزيئات عبر سطح الركيزة عن طريق دفعها أو رفعها. في هذه الحالة ، يعمل مسبار أداة المسح كنوع من الحفارات أو الجرافة في عالم النانو.

الطرق الرئيسية لهذا النهج في تقنية النانو هي: التخليق الجزيئي ، والتجميع الذاتي ، ونمو البلورات النانوية ، والبلمرة.

التوليف الجزيئييتكون من تكوين جزيئات ذات خصائص محددة مسبقًا عن طريق تجميعها من شظايا جزيئية أو ذرات. بهذه الطريقة يتم إنتاج الأدوية. العديد من الأدوية الحديثة ، بما في ذلك الجيل الجديد من المضادات الحيوية أو الفياجرا الشهيرة ، هي نتاج تخليق جزيئي. يحل التوليف الجزيئي النانوي أيضًا مشاكل تغليف مثل هذه الأدوية في أغشية جزيئية خاصة ، مما يجعل من الممكن توصيل هذه الأدوية مباشرة إلى المناطق المصابة من الجسم.

التجميع الذاتي- هذه طريقة لتقنية النانو ، تعتمد على قدرة الذرات أو الجزيئات على التجمع بشكل مستقل في هياكل جزيئية أكثر تعقيدًا.

يعتمد مبدأ التجميع الذاتي على مبدأ الحد الأدنى من الطاقة - الميل المستمر للذرات والجزيئات للانتقال إلى أدنى مستوى طاقة متاح لها. إذا أمكن تحقيق ذلك عن طريق الارتباط بجزيئات أخرى ، فإن الجزيئات الأصلية ستنضم ؛ إذا كان هذا ضروريًا لتغيير موقعهم في الفضاء ، فسيتم إعادة توجيههم.

يمكن أن تكون الأسطورة اليونانية القديمة عن سيزيف ، الذي رفع حجرًا بصعوبة إلى قمة الجبل ، وحاول بعناد الانزلاق على المنحدر ، نموذجًا لتوضيح مبدأ أقل طاقة. تناول أدنى مستوى طاقة.

نموذج آخر يجعل من الممكن تصور التجميع الذاتي بناءً على اتجاه الجزيئات في الفضاء هو سلوك البوصلة ، والتي يمكن اهتزازها وتدويرها ، لكن سهمها سيشير دائمًا إلى الشمال ، مما يقلل من طاقة مغناطيس صغير المرتبطة به بالنسبة إلى مجال الأرض. لتحقيق هذا الموقف ، لا تحتاج إلى القيام بأي عمل على السهم ، فهو يقوم بذلك بشكل طبيعي. تعتمد طرق التجميع الذاتي على فكرة إنشاء مواد خام نانوية من الذرات والجزيئات ، والتي ، مثل إبرة البوصلة ، تتجمع بشكل طبيعي في هياكل المواد المطلوبة.

في الكائنات الحية ، التجميع الذاتي هو أساس عمليات الاستيعاب ، أي عمليات تخليق البروتينات والدهون والكربوهيدرات وعديد النيوكليوتيدات اللازمة لكائن حي معين. يحدث تكوين وتجميع الأنسجة البيولوجية على المستوى الجزيئي الذري ، وتقوم الكائنات الحية بتنفيذها بكفاءة عالية. يمكن أن يحلم التركيب النانوي بهذا فقط. ومع ذلك ، تقوم البنيات النانوية بحقن ذرات أو جزيئات معينة على سطح الركيزة أو على بنية نانوية تم تجميعها مسبقًا. علاوة على ذلك ، فإن جزيئات المقياس النانوي الأولي موجهة في الفضاء ، وتتجمع في بنية نانوية محددة. ليست هناك حاجة للبناء البطيء والمضجر لمثل هذا الهيكل باستخدام أداة مسبار. هذه هي ميزة التجميع الذاتي.

في الوقت الحاضر ، باستخدام التجميع الذاتي ، من الممكن إنشاء أجهزة تخزين الكمبيوتر. يمكن استخدامه أيضًا لحماية السطح من التآكل أو لمنحه خصائص خاصة ، مثل التفلون المستخدم في صنع الأطباق. بمساعدة التجميع الذاتي ، تم صنع نماذج أولية من الزجاج المحبة للماء والطارد للماء ، والتي يمكن استخدامها على نطاق واسع ، على سبيل المثال ، في صناعة السيارات ، وإنتاج زجاج المبنى ، في البصريات.

نمو البلورات بالنانوسكوبي هو تقنية نانوية يمكن من خلالها زراعة البلورات من المحلول باستخدام بلورات البذور (مراكز التبلور).

يتم تصنيع كتل السيليكون المستخدمة في إنشاء الرقائق بهذه الطريقة.

يمكن استخدام هذه الطريقة لتنمية أنابيب نانوية كربونية طويلة تشبه القضبان أو أسلاك متناهية الصغر من السيليكون. تتمتع هذه المواد النانوية بخصائص موصلة فريدة وتستخدم في العديد من مجالات البصريات والإلكترونيات.

البلمرة- هذه طريقة لتقنية النانو ، تعتمد على إنتاج المواد النانوية في شكل بوليمرات من المونومرات الأولية باستخدام تفاعلات البلمرة أو التكثيف المتعدد. لتنفيذه ، يتم استخدام ما يسمى بآلات الجينات ، والتي تسمح بتجميع أجزاء مختلفة من الحمض النووي (يطلق عليها oligonucleotides من اليونانية "oligos" - قليلاً ، تافهة ، على عكس polynucleotide - DNA كامل). ثم ، من هذه الشظايا ، وباستخدام جميع آلات الجينات نفسها ، يقومون ببناء المصفوفات اللازمة لإنتاج هذه المادة أو تلك. يتم إدخال قوالب الحمض النووي المُصنَّع في الحمض النووي للبكتيريا ، والتي تقوم بعد ذلك بعمل نسخ متعددة من البروتين المطلوب. يتيح لك ذلك بناء مصانع بروتين بكفاءة لإنتاج أي بروتين تختاره تقريبًا. مثال على التطبيق العملي لطريقة تكنولوجيا النانو هذه هو إنتاج الأنسولين لعلاج مرض السكري.

الثاني عشر (يتحدث عن تصنيف وممثلي بعض مجموعات المواد النانوية). في عام 2004 في ألمانيا ، في فيسبادن السابعة المؤتمر الدوليعلى المواد ذات البنية النانوية ، والتي تم اقتراح التصنيف التالي عليها.

المواد الصلبة التي يسهل اختراقها.تستخدم تقنية Sol-gel للحصول عليها. يعتمد على تجفيف الأنظمة المشتتة. منتجات هذه التقنية عبارة عن مواد نانوية تحتوي على أكاسيد معدنية (آل 2 يا 3 ، ف 2 يا 5 ، في 2 يا 3 وغيرها) ، والتي يمكن استخدامها كمحفزات ، ومكثفات فائقة ، خلايا الوقودوإلخ.

الجسيمات النانوية- هذه ، على سبيل المثال ، قليل النوكليوتيدات التي سبق ذكرها أعلاه ، تُستخدم في آلات الجينات لتكوين DNA لإنتاج البروتين المطلوب على نطاق صناعي. بالإضافة إلى ذلك ، فهي جزيئات حاملة تستخدم لتوصيل الأدوية إلى نقاط محددة في الجسم.

الأنابيب النانوية.الأنابيب النانوية هي شكل جديد تمامًا من المواد. فرّق بين الأنابيب النانوية المعدنية وأشباه الموصلات. الأكثر أهمية هي الأنابيب النانوية الكربونية شبه الموصلة ، والتي تكون على شكل أسطوانات صغيرة يبلغ قطرها من 0.5 إلى 10 نانومتر وطولها حوالي 1 ميكرون. يمكن اعتبار الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار على أنها طبقة واحدة من الجرافيت ملفوفة في لفافة (على عكس الفوليرين ، الذي يشبه جزيءه كرة قدم مكونة من طبقة واحدة من الجرافيت).

(عند التفكير في الأنابيب النانوية ، سيكون من المناسب للمعلم أن يتذكر ظاهرة التآصل وخاصةً فيما يتعلق بالتعديلات الأربعة المتآصلة للكربون: الماس ، والجرافيت ، والكاربين ، والفوليرين.)

الأنابيب النانوية الكربونية عبارة عن هيكل بلوري مشابه للفوليرين ، ولكن يتم تجميعها في شكل مختلف ، وبالتالي تمتلك خصائص مختلفة (ليس من أجل لا شيء يقترح بعض الباحثين أن الأنابيب النانوية تعتبر تعديلًا آخر للكربون). الأنابيب النانوية الكربونية قادرة على امتصاص كميات كبيرة من الهيدروجين والاحتفاظ بها ، وبالتالي فهي مادة قيّمة لإنشاء محركات تعمل بوقود الهيدروجين وبطاريات الهيدروجين. الأنابيب النانوية الكربونية لها خصائص شبه موصلة. سيسمح لك استخدامها بالوصول إلى كاثودات منخفضة الحرارة ، حيث سيتم تقليل الجهد إلى 500 فولت (على عكس كاثودات التلفزيون العاملة حاليًا ، والتي تعمل تحت جهد كهربائي يبلغ 10 كيلو فولت). تتمتع الأنابيب النانوية متعددة الطبقات بقوة شد عالية ، والتي يمكن أن تصل إلى 63 جيجا باسكال ، وهي أعلى بنسبة 50-60 مرة من تلك الموجودة في الفولاذ عالي الجودة. يصل الضغط الذي يمكن أن تتحمله هذه الأنابيب إلى 100 جيجا باسكال ، وهو أعلى بآلاف المرات من ضغط الألياف التقليدية. وهذا يسمح باستخدامها في تصنيع مواد السترات الواقية من الرصاص والزجاج ، وكذلك في إنتاج مواد البناء المقاومة للزلازل. تتميز الأنابيب النانوية الكربونية بكثافة منخفضة للغاية ، مما يجعل من الممكن الحصول على مواد مركبة عالية القوة منها ، وهي مطلوبة في التكنولوجيا العسكرية والفضائية ، وكذلك في صناعة السيارات. تمتلك الأنابيب النانوية الكربونية نشاطًا تحفيزيًا عاليًا ، وبالتالي ، يمكن استخدامها لإجراء تفاعلات كيميائية مستحيلة في ظل الظروف العادية ، على سبيل المثال ، التوليف المباشر للكحول الإيثيلي من غاز التوليف (خليط من أول أكسيد الكربون والهيدروجين). يتم تحديد استخدام الأنابيب النانوية كناقل محفز من خلال ثباتها الكيميائي ومساحة سطحها الكبيرة.

تشتت النانو- أنظمة مشتتة يتم فيها تحجيم جزيئات الطور بالنانو وتوزيعها في وسط سائل. استخدامها الرئيسي هو التسليم المراقب. الأدويةفي الجسم ، وكذلك إنتاج مواد التجميل الحديثة (منتجات الدباغة ، الماسكارا ، الكريمات المختلفة).

الأسطح والأفلام ذات البنية النانوية.بادئ ذي بدء ، هذه هي أسطح الأعضاء الاصطناعية والمتبرعة ، وهي مغطاة بمواد ذات بنية نانوية لتجنب رفض الأعضاء المزروعة.

البلورات النانوية والحبيبات النانوية.باستخدام طرق الكيمياء الغروية ، كان من الممكن الحصول على العديد من المواد المعروفة في شكل بلورات نانوية: أشباه الموصلات ، المواد المغناطيسية ، إلخ. إن استخدام هذه البلورات في علم المعادن يجعل من الممكن زيادة القوة والصفات الأخرى للصلب. يتم استخدام هذا الفولاذ ليس فقط لتصنيع أنابيب أرق ، ولكن أيضًا أكثر متانة يمكنها تحمل الضغط العالي ، على سبيل المثال ، في قطاعي معالجة الغاز ونقل الغاز. تسمح البلورات النانوية والحبيبات النانوية بمعالجة الأسطح بدقة جزيئية. كما يمكن استخدامها في الطب لتصنيع جيل جديد من الأدوية المضادة للسرطان. تقدم المواد ذات الحبيبات النانوية مجموعة واسعة من الاحتمالات لإنشاء أجهزة انبعاث للضوء ذات استهلاك منخفض للطاقة ، بالإضافة إلى وسائط للتسجيل المغناطيسي فائق السرعة.

تقوم مجموعة من اثنين إلى ثلاثة طلاب بتقديم عرض تقديمي حول تطبيق تقنية النانو في مختلف مجالات الحياة مجتمع حديثباستخدام المخطط 2 ( انظر ص. 14).

مخطط 2

تطبيق تقنية النانو في مختلف المجالات
حياة المجتمع

الطالب الثالث عشر. طاقة.أحد البدائل لاستخدام الوقود الأحفوري (الغاز الطبيعي ، الزيت ، الفحم ، إلخ) هو استخدام الخلايا الكهروضوئية ، التي تحول ضوء الشمس مباشرة إلى طاقة كهربائية- ما يسمى بالألواح الشمسية وزيادة كفاءتها. تعتمد هذه الأجهزة بشكل أساسي على السيليكون ، وفي كثير من الأحيان الجرمانيوم. تستخدم خلايا السيليكون الكهروضوئية في البناء السكني و الإنتاج الصناعي، وكذلك في الآلات الحاسبة ، وما إلى ذلك. يركز ضوء الشمس على أشباه الموصلات ، وهي عبارة عن بلورة سيليكون واحدة أو بلوراتها المتعددة. الحصول على هذه البلورات هو مهمة تكنولوجيا النانو. بديل آخر لاستخدام الطاقة التي يتم الحصول عليها من حرق الوقود الأحفوري هو إنشاء خلايا وقود جديدة ، على سبيل المثال ، الأنابيب النانوية الكربونية ، ذات قدرة امتصاص عالية للهيدروجين.

يتم حل مشاكل الطاقة بشكل غير مباشر بمساعدة تقنية النانو من خلال إمكانية استخدام الأجهزة النانوية في تقنيات معلومات أشباه الموصلات.

إلكترونيات. تتيح تقنية النانو بالفعل الآن تصنيع عناصر أشباه الموصلات يتراوح حجمها من 30 إلى 100 نانومتر. في المستقبل ، سيتم تقليل حجم هذه العناصر إلى 35-50 نانومتر. سيتم توفير هذه الفرصة من خلال استخدام الأنابيب النانوية الكربونية وأنواع جديدة من أجهزة التخزين (على سبيل المثال ، ذاكرة إلكترونية واحدة) في الصناعة الإلكترونية. سيؤدي ذلك بدوره إلى زيادة معدل نقل البيانات حتى حوالي 10 جيجابت في الثانية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تحسين تقنية تخزين المعلومات له أهمية كبيرة ، حيث يتم حلها من خلال إنشاء أجهزة تخزين تيرابت التي تجعل من الممكن زيادة درجة كثافة التسجيل على الأقراص المغناطيسية بنحو 1000 مرة.

الطيران والملاحة الفضائية.في مجال الطيران ، تؤثر تقنية النانو بشكل أساسي على عامل من هذا القبيل في تطوير النقل الجوي مثل إنشاء مواد هيكلية جديدة. هناك عاملان آخران - تطوير بناء المحرك وتحسين الديناميكا الهوائية للطائرات - يعتمدان أيضًا على تقنية النانو ، ولكن بدرجة أقل. بمساعدة تقنية النانو ، سيتم إنشاء مواد مركبة خزفية مقاومة للحرارة (أي مواد تتكون من مكونين أو أكثر) قادرة على تحمل درجات حرارة تتراوح من 1000 إلى 1600 درجة مئوية ومركبات بوليمر قادرة على تحمل درجات حرارة 200-400 درجة مئوية. في علم الفضاء ، تكون متطلبات المواد المركبة أعلى من ذلك: يجب أن تكون شديدة المقاومة للحرارة (تتحمل درجات حرارة حوالي 3000 درجة مئوية) ، وخفيفة الوزن للغاية وقوية للغاية. وهذه المواد هي التي استخدمت في تصنيع منتجنا "بوران" وتستخدم في صناعة "المكوكات" الأمريكية.

الطالب الرابع عشر. الدواء.تتيح تقنية النانو إنتاج مواد ذات "التعرف الجزيئي" وتنظيم الإنتاج الضخم لأجهزة الاستشعار الحيوية القادرة على مراقبة جسم الإنسان لفترة طويلة ، مما يجعل من الممكن إجراء التشخيص المبكر لبعض الأمراض. بالإضافة إلى ذلك ، هناك احتمال لاستخدام أجهزة خاصة للتنظير النانوي تسمى nanorobots لتشخيص الأمراض وعلاجها. عند إدخالها إلى جسم الإنسان ، ستكون قادرة على تطهير الأوعية الدموية من رواسب تصلب الشرايين ، وتدمير الأورام السرطانية الصغيرة ، وتصحيح جزيئات الحمض النووي التالفة ، وإجراء التشخيص الكامل ، وتوصيل الأدوية إلى أعضاء محددة وحتى الخلايا ، وما إلى ذلك. - رقائق الحمض النووي التي يطلق عليها ستسهل إجراء تحليل المعلومات الجينية للفرد وإجراء دورة علاجية تعتمد على إنشاء الأدوية الفردية وفقًا لهذه المعلومات. يتيح استخدام تقنية النانو الحصول على مواد حيوية جديدة وبوليمرات وظيفية اصطناعية - بدائل للأنسجة البشرية.

تُستخدم تقنية النانو لإنشاء أدوات نانوية وأدوات معالجة النانو المستخدمة في الطب. لذلك ، ظهرت بالفعل الملاقط النانوية والإبر النانوية. على سبيل المثال ، تُصنع الملاقط النانوية باستخدام أنبوبين نانويين كربونيين قطرهما 50 نانومتر مرتبتين بالتوازي على ركيزة من الألياف الزجاجية. تتقارب هذه الأنابيب وتتباعد عندما يتم تطبيق الجهد عليها ، مما يحاكي الملاقط. ابتكر اليابانيون ملاقط نانوية يبلغ طولها 3 نانومتر فقط ، مما يجعل من الممكن معالجة الجزيئات الفردية. اقترح علماء محليون من نوفوسيبيرسك أدواتهم النانوية الخاصة - إبر النانو ، القادرة على الحقن في الخلايا.

ستسمح تقنية النانو أيضًا بتنظيم إنتاج المواد النشطة بيولوجيًا عن طريق طرق التجميع الذاتي. لحل هذه المشكلة ، يولي خبراء تقنية النانو اهتمامًا خاصًا للخلايا الجذعية الجنينية ، القادرة على التحول إلى خلايا من أعضاء بشرية مختلفة (خلايا عصبية ، وظهارية ، وكبدية ، وما إلى ذلك). ترتبط عمليات تحويل الخلايا الجذعية بآليات التجميع الذاتي للهياكل الخلوية. يساعد استخدام الخلايا الجذعية في استبدال الأعضاء التالفة و "إصلاح" المناطق التالفة جزئيًا.

التكنولوجيا الحيوية.تمت مناقشة هذا المجال من تطبيق تقنية النانو بالفعل ، ولكن مرة أخرى يجدر الانتباه إلى علاقة وأهمية هاتين التقنيتين. في معناها الأصلي ، كانت التكنولوجيا الحيوية هي استخدام طرق تخليق الحمض النووي للحصول على بروتينات معينة على المقياس النانوي. في دور "مصانع" إنتاج البروتين كانت بكتيريا الإشريكية القولونية ، حيث تم استبدال جزء من الحمض النووي بموقع ضروري لتخليق بروتين معين. أكثر الأمثلة المدهشة على مثل هذا التصميم هي إنتاج الأنسولين وعامل نمو الجسم (سوماتوتروبين) والعامل الثامن (أو عامل التخثر الذي يسبب تخثر الدم ويستخدم في الهيموفيليا) ، والتي تستخدم على نطاق واسع في الطب.

الطالب الخامس عشر. الزراعة.وفقًا للأمم المتحدة ، يعيش حاليًا حوالي 7 مليارات شخص على الأرض ، ووفقًا للتوقعات ، بحلول عام 2050 ، قد يصل عدد سكان العالم إلى 100 مليار شخص. مشكلة الغذاء مشكلة عالمية بالفعل للبشرية. يمكن لأي شخص عادي أن يلاحظ ارتفاع أسعار المواد الغذائية من يوم لآخر.

يعتمد حل مشكلة الغذاء للبشرية ، أولاً وقبل كل شيء ، على الاستخدام الواسع النطاق للهندسة الوراثية والتكنولوجيا الحيوية لإنشاء أنواع مختلفة من النباتات ذات الإنتاجية والقيمة الغذائية المتزايدة ، وكذلك في إنشاء سلالات عالية الإنتاجية من الحيوانات وسلالات الكائنات الدقيقة.

تساعد الأدوات النانوية والتقنيات الأنزيمية المستخدمة في التكنولوجيا الحيوية والهندسة الوراثية في حل هذه المشكلات بوتيرة أسرع. وهكذا ، فإن إنتاج أنواع جديدة من فول الصويا المعدل وراثيا ، والمعروفة للجميع ، يتطور بسرعة. تفسح الأصناف التقليدية من الطماطم والبطاطس والذرة والبازلاء والقمح والأرز وما إلى ذلك ، وكذلك البطاطا الحلوة الغريبة والبابايا في الممارسة الزراعية ، الطريق أمام الأصناف المعدلة وراثيًا والتي تقاوم الأعشاب الضارة والآفات وتزيد الغلات.

علم البيئة.بمساعدة تقنية النانو ، من الممكن حماية البيئة من الآثار الضارة المرتبطة بزيادة درجة حرارة الغلاف الجوي للأرض ، وتدمير طبقة الأوزون ، وتلوث الديوكسين ، والأمطار الحمضية.

زاد متوسط درجة حرارة الأرض في 40 عامًا فقط من القرن الماضي بمقدار 0.5 درجة مئوية. من المتوقع أن يرتفع متوسط درجة الحرارة بمقدار 3 درجات مئوية أخرى في القرن الجديد. عواقب هذا تهدد البشرية بالعديد من المشاكل: سيرتفع مستوى المحيط العالمي بمقدار 65 سم (ستغرق المناطق الساحلية للعديد من البلدان) ، وسيحدث تغير مناخي جذري ، مناطق طبيعيةوغيرها. توفر تقنية النانو فرصة لتقليل تأثيرات درجة الحرارة على الغلاف الجوي للأرض من خلال:

البحث عن بديل مصادر الطاقة,

تحسين الألواح الشمسية

تقليل محتوى أول أكسيد الكربون (IV) في غازات العادم.

يمكن أن يؤدي تدمير طبقة الأوزون تحت تأثير الفريونات (المبردات والهباء الجوي) المستخدمة على نطاق واسع في الصناعة والأجهزة المنزلية إلى زيادة كبيرة في سرطان الجلد وسرطان الدم. لذلك ، تواجه تقنية النانو مهمة إنشاء مواد ومواد تحل محل الفريونات.

ترتبط مشكلة التلوث البيئي بالديوكسين بالاستخدام الواسع النطاق للمركبات المحتوية على الكلور (البولي فينيل كلوريد ، الهيدروكربونات المكلورة ، إلخ) للأغراض الصناعية.

بمساعدة تقنية النانو ، يتم تصنيع مواد جديدة يمكن أن تحل محل البوليمرات المحتوية على الكلور ؛ يجري إنشاء أجهزة استشعار حيوية لرصد البيئة على المدى الطويل والدقيق ؛ يتم إنتاج مساحيق النانو لمكافحة التلوث البيئي ، وقبل كل شيء ، الانسكابات النفطية ؛ يتم تصميم مرشحات النانو لمنع دخول الديوكسين والنفايات الأخرى إلى البيئة ، بما في ذلك انبعاثات الكبريت وأكاسيد النيتروجين فيها عن طريق النقل والمنشآت الصناعية. للغرض الأخير ، يمكن أن تلعب المحفزات وناقلاتها التي تم إنشاؤها بمساعدة تقنية النانو دورًا مهمًا.

بصريات.يسمح تقليل حجم حبيبات الكريستال إلى مقاييس نانومترية بإنشاء وسائط بصرية جديدة ذات مؤشرات انكسار عالية جدًا وقابلة للتعديل ، وتغييرات في اللون والقوة ، وما إلى ذلك من المواد الزجاجية. تسمى هذه الوسائط نظارات النانو. مجالات تطبيقها متنوعة للغاية. على سبيل المثال ، باستخدام تقنية النانو ، يتم إنشاء هياكل قرص العسل على سطح الزجاج المملوء بمواد نانوية مختلفة. يمكن استخدام هذه النظارات لإنشاء أجهزة عالية الكفاءة لتخزين ونقل المعلومات الرقمية. كما أن الزجاج النانوي ، المجهز بأشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير ، سوف يجعل من الممكن إنتاج أجهزة تخزين ضوئية فائقة القوة ومواد أفلام ذات وضوح أكبر للصورة. يمكن استخدام الزجاج النانوي لتصنيع المفاتيح الضوئية والموجهات الموجية الضوئية الرقيقة. في أذهان الشخص العادي ، نادراً ما ترتبط النظارات "الحرباء" وتغيير شدة تعتيم نوافذ السيارة بفكرة العالم النانوي ، ولكن هذا هو الحال بالضبط.

في مركز بكين للألعاب المائية ، حيث انتهت الألعاب الأولمبية مؤخرًا ، تم صنع السقف باستخدام زجاج نانوي يمكنه تغيير كثافة اللون اعتمادًا على شدة الضوء الطبيعي ، وكذلك الانحناء إلى الداخل أو الخارج وفقًا لنظام درجة الحرارة.

معلم. علم النانو وتكنولوجيا النانو هي مجال متكامل من العلوم والتقنيات الحديثة ، والتي كانت تعتبر في السابق مستقلة ذاتيًا: الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا وتخصصاتها (الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية والفحص المجهري الذري) ، وكذلك تقنيات المعلوماتوالتكنولوجيا الحيوية وعلوم المواد. وبالتالي ، فإن علم النانو متعدد التخصصات بطبيعته ، وبالتالي فمن المنطقي تمامًا افتراض أن فكرة هذا العلم ستكون مطلوبة في أي مجال من مجالات نشاطك المهني المستقبلي.

لقد اقتنعنا بفاعلية هذه الحلقة الدراسية من تجربتنا الخاصة ، عندما أجريناها في المدرسة رقم 531 في موسكو والمدرسة رقم 33 في إنجلز ، منطقة ساراتوف.