Наука химия и ее предмет

В настоящее время около половины энергии вырабатывается из нефти. Она, в частности, обеспечивает 99 процентов мировой потребности в моторных топливах. В то же время, нефть служит сырьем для получения множества разнообразных химических веществ. Великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев считал, что использовать нефть в качестве топлива – это то же самое, что топить ассигнациями. Тем не менее, до сих пор почти 90 процентов добываемой нефти используется как сырье для производства горючего.

Нефть представляет собой смесь многих веществ, преимущественно различных углеводородов. После предварительной очистки сырую нефть подвергают перегонке. В результате этого получают группы веществ, имеющих близкие температуры кипения – фракции: нефтяной газ, бензин, керосин, дизельное топливо, минеральные масла, парафин. Все они находят применение в различных сферах деятельности человека.

С развитием автомобильного транспорта возросла потребность в бензиновой фракции нефти. Однако при простой перегонке нефти выход бензина не превышает 20%. В то же время тяжелые фракции пользуются меньшим спросом. Для увеличения выхода бензина стали использовать крекинг – расщепление молекул веществ, входящих в состав нефти, на более мелкие. Для улучшения качества бензина используют другой химический процесс – риформинг, в ходе которого происходит образование ароматических углеводородов и изомеров предельных углеводородов, имеющих высокие октановые числа.

Доступность и относительная дешевизна горючих полезных ископаемых привели к бурному росту энергетики. Однако к семидесятым годам 20 века ресурсы дешевой энергии оказались исчерпанными. Кроме того, развитие энергетики привело к существенному загрязнению окружающей среды.

При сжигании углеродного топлива в атмосферу выбрасывается огромное количество диоксида углерода, что способствует развитию парникового эффекта. Неполное сгорание топлива приводит к образованию монооксида углерода, являющегося сильным ядом, и вредных для здоровья углеводородов. Кроме того, образуются токсичные оксиды азота и серы, которые, в частности, служат причиной возникновения кислотных дождей. Дымовые выбросы также оказывают вредное воздействие на природу и здоровье людей.

Добыча и перевозка нефти сопровождается существенным загрязнением Мирового океана. Кроме того, в природные воды попадают топливо и смазочные масла, используемые при эксплуатации автомобилей.

Несгораемые примеси – шлак, зола, пыль – часто не утилизируются, а сбрасываются в отходы, загрязняющие поверхность Земли. Почва вокруг автомобильных дорог отравлена соединениями свинца, образующимися при использовании этилированного бензина.

Улучшению экологического состояния планеты должно способствовать, наряду с химическими и другими методами очистки, применение альтернативных источников энергии, а также ее экономия.

Существует немало источников энергии, не использующих сжигание полезных ископаемых. Однако вклад энергии падающей воды, приливов, ветра, ядерной энергии не превышает нескольких процентов от общего ее производства. Поэтому постоянно ведутся поиски эффективных заменителей нефти и нефтепродуктов.

В последние годы все большее внимание энергетиков привлекает водород. Водородное топливо экологически безопасно – при его сжигании образуется только вода. Теплота сгорания водорода в расчете на единицу массы в несколько раз выше теплоты сгорания любого другого топлива. Если в качестве сырья рассматривать воду, запасы водорода на Земле практически не ограничены.

Главная проблема водородной энергетики заключается в том, что традиционные методы получения водорода не выгодны, поскольку большинство реакций получения водорода требуют больших энергетических затрат. Поэтому разрабатываются новые способы получения водорода с использованием ядерной и солнечной энергии. Не вызывает сомнения, что если такие способы окажутся экономически выгодными, водород способен потеснить все другие современные источники энергии.

В настоящее время наиболее перспективными видами альтернативного топлива являются спирты – метанол и этанол. При сгорании они почти не загрязняют атмосферу и имеют высокие октановые числа. Они могут быть использованы в автомобильных двигателях как в чистом виде, так и в смесях с бензином.

Главное достоинство этанола – относительная простота его получения. Одним из видов сырья для его производства служит древесина, запасы которой могут постоянно пополняться. Из одной тонны сухой хвойной древесины получают около 150 кг этанола. Для производства метанола можно использовать любое углеродсодержащее сырье: природный газ, нефтяные остатки, уголь. Метанол применяют главным образом для производства других органических веществ, однако все чаще его используют как добавку к бензину и в качестве топлива в целях экономии нефтяного сырья.

Среди альтернативных источников энергии растет доля газообразных углеводородов. Хотя газообразное топливо требует специального оборудования для сжижения, хранения и транспортировки, оно широко используется в быту, в промышленности, на транспорте.

Углеродсодержащие вещества составляют немалую долю среди промышленных и бытовых отходов. Их также можно использовать для производства энергии. Так, при переработке мусора сжигают изношенные резиновые покрышки, а при биохимическом разложении бытовых отходов получают горючие газы, которые можно использовать для энергетических нужд.

Организм человека состоит из различных химических веществ. Его жизнедеятельность связана с многообразными химическими реакциями, протекающими с участием веществ самого организма, а также веществ, поступающих извне.

Организм человека примерно на 60 процентов состоит из воды. Остальные 40 процентов распределены, в основном, между жирами, белками, углеводами и минеральными веществами. Жиры, углеводы и белки являются веществами жизни. Они образуются в организмах и совершенно необходимы для их жизнедеятельности.

Все органические вещества обладают определенным запасом энергии. Эта энергия высвобождается при превращении сложных органических молекул в более простые молекулы в различных биохимических процессах, в частности, при дыхании.

В живом организме окисление органических веществ идет очень медленно и спокойно. Обычно эти процессы протекают в несколько стадий. В результате полного окисления образуются те же продукты, что и при сгорании вещества. А это значит, что при медленном окислении выделяется столько же энергии, сколько при сжигании. Эта энергия расходуется на поддержание жизнедеятельности организма.

Любой живой организм должен расходовать определенное количество энергии. В зависимости от вида деятельности средний расход энергии может увеличиваться или уменьшаться. Так, во время бега затрачивается примерно в десять раз больше энергии, чем во время сна или отдыха.

Энергетические затраты должны соответствовать энергоемкости потребляемых продуктов. Для поддержания постоянной массы тела необходимо, чтобы энергетический запас продуктов питания в точности соответствовал выделяемой энергии.

Для оценки энергии, заключенной в продуктах питания, используют единицу измерения под названием калория. Наиболее богаты энергией молекулы жиров. Калорийность белков и углеводов примерно одинакова и немного меньше, чем у жиров.

Около 60 процентов потребности человека в энергии обеспечивается углеводами. Если в организм поступает излишек углеводов, то они запасаются в виде полисахарида гликогена, построенного из остатков глюкозы. Если энергии становится недостаточно, гликоген легко превращается в глюкозу, которая затем окисляется с выделением энергии.

Однако в качестве основного аккумулятора энергии в живых организмах используются жиры. Если организм получает с пищей больше энергии, чем ему необходимо, то на энергетические нужды расходуются в первую очередь углеводы и белки, а жиры накапливаются. Для того, чтобы жиры не откладывались про запас, их содержание в пище не должно превышать 30 процентов.

Белки должны обеспечивать поступление в организм около 10 процентов энергии. Белки не запасаются впрок, а полностью расходуются на поддержание жизнедеятельности. Белки выполняют множество самых разнообразных функций, но при недостатке энергии они будут лишь "сжигаться". Это может нарушить обмен веществ, состояние костей и других тканей.

Продукты питания необходимы не только для восполнения энергетических затрат организма. Получаемые с ними вещества обеспечивают рост клеток и их жизнедеятельность. Поэтому питание должно быть сбалансировано не только энергетически, но и химически.

Важной является строительная функция питательных веществ: жиры являются основным компонентом клеточных мембран, целлюлоза образует стенки растительных клеток, белки – это основной материал, из которого построены клетки. Волосы и шерсть, ногти и когти, рога и копыта практически полностью состоят из белка.

Животные и растения откладывают жиры и углеводы в запас и расходуют их в процессе жизнедеятельности. Жир является источником воды в организме. Жиры также выполняют водоотталкивающую и термоизоляционную функции и защищают органы и ткани от механических повреждений.

Все химические реакции, протекающие в клетках, являются каталитическими. Катализаторами являются специальные белковые молекулы – ферменты. Каждый фермент регулирует одну единственную реакцию. Воздействуя на ферменты, организм может чутко управлять любыми химическими процессами, протекающими внутри него.

Белковую природу имеют многие гормоны и антитела. Белки выполняют транспортную функцию, перенося кислород, жирные кислоты и другие вещества. Они осуществляют сократительную функцию, обеспечивая все виды движения клеток и организмов.

Попав в организм, питательные вещества претерпевают различные химические превращения. Первой стадией превращений углеводов, жиров и белков является гидролиз – расщепление на более мелкие части в присутствии воды. Образовавшиеся вещества разносятся по клеткам организма, где они расходуются на получение энергии или служат исходным материалом для синтеза необходимых организму веществ.

Помимо белков, жиров и углеводов человеку необходимы и многие другие вещества, без которых невозможно его нормальное существование. В первую очередь это витамины и минеральные вещества. Большинство витаминов и минеральных солей изначально присутствуют в продуктах питания. Тем не менее, в последние годы их и другие химические вещества, которые отсутствовали в исходном сырье, все чаще включают в пищу в качестве пищевых добавок.

В повседневной жизни человеку  постоянно приходится сталкиваться с разнообразными химическими веществами. Для того, чтобы разумно пользоваться лекарственными средствами и препаратами бытовой химии, необходимо знать свойства веществ, входящих в их состав.

Самая удивительная черта живого организма – это его способность к саморегуляции. Клетки человеческого тела производят огромное число различных веществ, причем именно в том количестве и в том месте, где это необходимо. Эти вещества вновь вступают во всевозможные химические реакции, обеспечивая жизнедеятельность организма. Лучший путь сохранить свое здоровье – не мешать организму поддерживать этот баланс. Большое значение имеет здоровый образ жизни, в частности, правильное питание, обеспечивающее клетки сырьем для химических процессов.

Однако случается, что химический баланс нарушается, и человек заболевает. Тогда приходится использовать лекарства – химические вещества, помогающие преодолеть болезнь. Они способствуют восстановлению нормальных химических процессов, протекающих в организме.

Не следует забывать, что химические вещества, помогая восстановить равновесие одной из систем организма, могут полностью разбалансировать другую. Почти все лекарства в той или иной степени вредны. В любом случае приходится выбирать, что хуже – болезнь или ее лечение. Так, например, широко применяемый аспирин – ацетилсалициловая кислота – обладает жаропонижающим, противовоспалительным и обезболивающим действием. Однако большой вред организму приносят его кислотные свойства. Попадая в желудок, лекарство раздражает его стенки и может вызвать серьезные заболевания.

Некоторые химические вещества настолько сильно вмешиваются в процессы, протекающие в организме, что полностью нарушают его жизнедеятельность. Это – яды. Любые вещества в больших количествах ядовиты. В то же время очень малые дозы ядов могут служить лекарствами.

В языках многих народов для обозначения и лекарств, и ядов служило одно и то же слово: в Древней Греции "фармакон", в Риме – "медикаментум", на Руси – "зелье". Многие ядовитые и сильнодействующие вещества растительного или животного происхождения или полученные синтетически используют в качестве лекарственных средств. Например, пчелиный и змеиный яд применяют в мазях при заболеваниях суставов.

Зная физические и химические свойства веществ, можно понять характер воздействия их на человеческий организм, объяснить их лечебное и отравляющее действие.

Так, противомикробное действие иода, перманганата калия, пероксида водорода основано на их окислительной способности. При чрезмерной кислотности желудочного сока используют малорастворимые гидроксиды, карбонат магния, гидрокарбонат натрия, способные нейтрализовать кислоту.

Химические вещества и их смеси начали применять для различных бытовых целей так же давно, как и для лечения. В гробнице египетского фараона Тутанхамона археологи обнаружили благовония. Начиная с первого века до н. э., в культурных центрах Средиземноморья стали использовать мыло. Издавна люди умели чистить изделия из металлов. С развитием химической промышленности ее продукция все больше стала проникать в повседневную жизнь человека.

Для грамотного использования химических веществ в быту необходимо знать их химические свойства и опасность, которую они могут представлять. Например, некоторые химические вещества при смешении могут энергично реагировать друг с другом, иногда с выделение теплоты, разбрызгиванием, выделением едких и ядовитых газов. Такие вещества нельзя хранить вместе.