§ 38. Роль хімії в розв’язуванні екологічної проблеми. «Зелена» хімія: сучасні завдання перед хімічною наукою та хімічною технологією

Глобальна екологічна проблема зумовлена перевищенням допустимих господарських навантажень на довкілля без належного врахування його можливостей, унаслідок чого воно деградує. Ідеться про збезлісення і виснаження земельних ресурсів, деградацію ґрунтів, забруднення екосистеми відходами виробничої та невиробничої діяльності людини.

Рідкими відходами забруднено насамперед гідросферу, причому головними забруднювачами є стічні води й нафта. Надзвичайно небезпечним є забруднення атмосфери пилоподібними й газуватими відходами, викиди яких безпосередньо пов’язані зі згорянням мінерального палива та біомаси, а також з гірськими, будівельними та іншими земляними роботами. Небезпеку для довкілля становлять і викиди парникових газів (назвіть ці гази та джерела їхнього надходження в атмосферу).

Як цьому може зарадити використання досягнень хімічної науки та виробництва? Для рекультивації ґрунтів використовують різноманітні хімічні меліоранти (наведіть приклади), зокрема такі, що знижують рухливість катіонів важких металічних елементів у ґрунті. Для укріплення зсувів використовують геотекстиль, основною сировиною для виробництва якого є поліпропілен або поліестер – продукція хімічної промисловості. Важливо (поясніть чому), що для виробництва геотекстилю використовують рециклізовані полімери. Наприклад, поліестерні волокна виготовляють переробленням використаних пластикових пляшок. Натомість поліпропіленовий геотекстиль виробляють з первинної сировини (рис. 38.1).

Рис. 38.1. Ефективні меліорація (1) та укріплення (2) ґрунту неможливі без досягнень сучасної хімії

Для запобігання забрудненню повітря та ліквідування наслідків цього явища використовують фільтрацію (матеріали для фільтрів є продукцією хімічної промисловості), адсорбційні (поясніть їхню суть) та каталітичні (хімічні перетворення токсичних компонентів на нетоксичні) методи (рис. 38.2.1). Для видалення з повітря домішок сульфур(ІV) оксиду, амоніаку застосовують хімічні реакції за їхньої участі.

Рис. 38.2. 1. Каталітичне очищення вихлопних автомобільних газів. 2. Використання сорбенту для видалення нафти та нафтопродуктів

• Які з реагентів використовують, на вашу думку, для поглинання цих забруднювачів? Складіть рівняння відповідних реакцій.

Для збирання розливів нафти та нафтопродуктів також використовують адсорбенти, створені на основі сучасних наукових розробок (рис. 38.2.2).

Явище під назвою парниковий ефект добре відоме вам з повідомлень засобів масової інформації. Про парникові гази (назвіть їх) ви дізналися з курсу хімії 9 класу. Ваших знань і життєвого досвіду достатньо, щоб схарактеризувати причини та наслідки парникового ефекту та способи їхньої мінімізації, використавши рисунок 38.3 (зробіть це).

Рис. 38.3. Парниковий ефект

• Що позначено на рисунку 38.3 цифрами 1-9?

Цікаво і пізнавально

Розроблено технологію поглинання карбон(ІV) оксиду кальцій оксидом, який добувають з дешевих вапняків і доломіту. Технічна реалізація методу полягає в переміщенні кальцій оксиду між двома реакторами з киплячим шаром, в одному з яких за низької температури відбувається поглинання вуглекислого газу, а в іншому за вищої температури – розкладання кальцій карбонату. Застосування зорієнтовано, передусім, на вугільні електростанції з високими викидами вуглекислого газу на одиницю виробленої потужності.

• Складіть рівняння реакцій, на яких ґрунтується ця технологія.

Стічні води очищують за допомогою реакцій осадження. Під час оброблення стічних вод реагентами відбувається їхня нейтралізація, знебарвлення та знезараження (наведіть приклади).

Одним з головних наслідків екологічної кризи на планеті є зубожіння її генофонду, зменшення біологічного різноманіття через руйнування життєвого середовища рослин і тварин. Тому багаторазова переробка відходів, зокрема й хімічними методами, зменшення витрат сировини та енергії у хімічній промисловості (і не лише) сприятимуть зменшенню негативного впливу людини на довкілля.

Зелена хімія – філософія хімічних досліджень та інженерії, яка закликає до створення продуктів та процесів, що дають змогу мінімізувати використання та виробництво шкідливих речовин. Зелена хімія найбільше сконцентрована на розв’язуванні виробничих завдань, а тому стосується вибору хімічних процесів, які будуть використані в хімічній технології. Головне завдання Зеленої хімії нарівні зі зменшенням шкідливості хімічних процесів полягає у збільшенні ефективності кожного з хіміко-технологічних процесів.

• Проаналізуйте наведені далі 12 принципів Зеленої хімії 1 . Яких висновків ви дійшли за результатами аналізування їх?

• Р – prevent wastes (запобігти втратам)
• R – renewable materials (поновлювані матеріали й сировина)
• О – omit derivatization steps (виключити побічні реакції)
• D – degradable chemical products (деградабельні хімічні продукти)
• U – use safe synthetic methods (використовувати безпечні синтетичні методи)
• С – catalytic reagents (використання каталізаторів)
• Т – temperature, pressure ambient (використання нормальних температури й тиску)
• І – in process monitoring (моніторинг процесу)
• V – very few auxiliary substances (якнайменше допоміжних речовин і розчинників)
• Е – E-factor, maximize feed in product (максимальний вихід продукту)
• L – low toxicity of chemical products (низька токсичність хімічних продуктів)
• Y – yes, it is safe (так, процес безпечний)

1 Мартін Поляков, Річард Бурн, Ноттингемський університет: «Химия и жизнь» № 10, 2012

Про перспективність та екологічну доцільність зеленої хімії свідчить свідомий вибір молодої наукової спільноти з усіх усюд, зокрема й з України (рис. 38.4).

Рис. 38.4. У 2014 році дослідницю Анастасію Губіну з Києва відзначено грантом ЮНЕСКО та ІЮПАК за дослідження «Мембрани на основі полісахариду для паливних елементів» під час Міжнародного симпозіуму «Зелена хімія для життя»

Сподіваємося, що ви за можливості дотримуватиметеся принципів Зеленої хімії незалежно від вибраного фаху. 2

У цьому вам допоможуть 13 принципів «Озеленення Африки»:

• G – generate wealth not waste (виробляймо багатство, а не відходи);
• R – regard for all life & human health (поважаймо все живе й людське здоров’я);
• Е – energy from sun (берімо енергію від Сонця);
• Е – ensure degradability & nо hazards (забезпечуймо деградабельність щоби уникнути небезпеки);
• N – new ideas & different thinking (генеруймо нові ідеї та інше мислення);
• Е – engineer for simplicity & practicality (приймаймо прості й практичні інженерні рішення);
• R – recycle whenever possible (повторно використовуймо, де тільки можливо);
• А – appropriate materials for function (використовуймо матеріали відповідно до їхніх функцій);
• F – fewer auxiliary substances & solvents (використовуймо якнайменше допоміжних речовин і розчинників);
• R – reactions using catalysts (використовуймо каталізатори);
• І – indigenous renewable feedstocks (використовуймо місцеву відновлювану сировину);
• С – cleaner air & water (дбаймо про чисті повітря й воду);
• А – avoid the mistakes of others (уникаймо чужих помилок).

2 Мартін Поляков, Річард Бурн, Ноттингемський університет: «Химия и жизнь» № 10, 2012

Рис. 38.5. Поштова марка України, присвячена Роалду Хоффману (нар. 1938) – американському хіміку (органічна та квантова хімія), поету, драматургу й філософу українського єврейського походження.

Р. Хоффман – лауреат Нобелівської премії (1981) «за розроблення теорії перебігу хімічних реакцій», що значно розширює можливості для планування хімічних експериментів. У 2013 був поміж інтелектуалів, які підписали звернення світової академічної спільноти на підтримку українського Євромайдану

ПРО ГОЛОВНЕ

• Глобальна екологічна проблема зумовлена перевищенням допустимих господарських навантажень на довкілля без належного врахування його можливостей, унаслідок чого воно деградує.

• «Зелена хімія» – філософія хімічних досліджень та інженерії, яка закликає до створення продуктів і процесів, що дають змогу мінімізувати використання й виробництво шкідливих речовин.

Перевірте себе

• 1. Перетворіть розповідні речення рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на питальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

• 2. Поясніть: а) чому людство потребує Зеленої хімії; б) у чому полягають подібність та відмінність між наукою про довкілля та зеленою хімією (відповідь надайте як діаграму Венна); в) що таке поновлювані ресурси та чому вони ефективніші для використання з погляду Зеленої хімії; г) як ви розумієте словосполучення «Зелена хімія для збалансованого розвитку людства».
• 3. Проаналізуйте та прокоментуйте: а) 13-й принцип Зеленої хімії, сформульований К. С. Локтєвою та В. В. Луніним (Московський державний університет): «Якщо ви робите все так, як звикли, то й отримаєте те, що зазвичай отримуєте» (чи поділяєте ви думку науковців?); б) вислів Роалда Хоффмана (рис. 38.5) «Молекули – усього лише молекули . Хіміки створюють нові сполуки й перетворюють старі. Інші, ті, кому це потрібно, купують і використовують їх; хтось продає такі розробки і “робить” на цьому гроші. Усі ми граємо ту чи ту роль у цьому ланцюжку та використовуємо хімічні сполуки на благо чи на шкоду. »; в) вислів президента (2012-2013) Міжнародного союзу теоретичної та прикладної хімії (IUPAC) Кацуюкі Тацумі про майбутнє хімії: «Я абсолютно впевнений, що важливими будуть розробки в галузях, пов’язаних з альтернативною енергетикою, добуванням чистої води, підвищенням урожайності сільського господарства. У всіх цих областях роль хімії неможливо переоцінити»; г) вислів Рьодзі Нойорії, лауреата Нобелівської премії 2001 року: «Хіміки у XXI столітті мають дотримуватися принципу практичної елегантності»; г) девіз Greenpeace «Ми не отримали Землю в спадок від батьків, ми взяли її в борг у наших нащадків».
• 4. Висловте своє ставлення до заборони використання пластикової упаковки в Грузії.

Творча майстерня

• 5. Складіть сенкан «Зелена хімія». 6. Напишіть есей «Нове покоління фахівців і фахівчинь у галузі хімії: яке воно?»

Проектуймо! Творімо!

• 15. Розв’язування проблеми утилізації різних видів електричних ламп.
• 16. Підготовка есею іноземною мовою «Роль хімії в моєму житті».

§ 41. РОЛЬ ХІМІЇ В СТВОРЕННІ НОВИХ МАТЕРІАЛІВ, РОЗВИТКУ НОВИХ НАПРЯМІВ ТЕХНОЛОГІЙ

Вивчаючи курс хімії, ви неодноразово дізнавалися про використання нових матеріалів у науці та техніці, суспільному господарстві й побуті.

Пригадайте, що таке матеріали.

Отже, матеріалами називають речовини, які використовують для виготовлення фізичних тіл, предметів для вжитку чи виробництва. Оскільки наука розвивається в напрямі нових відкриттів, то її продукти будуть корисними для суспільства та кожної людини зокрема.

Хімічна наука впродовж свого розвитку працює над поясненням не тільки природних явищ, а й тих, що відбуваються під час різних процесів: приготування їжі, виплавлення металів тощо. Важливими напрямами є створення нових матеріалів, добування екологічно чистих речовин, створення умов для зростання добробуту та забезпечення здорового способу життя людей.

У шкільному курсі хімії ви вже ознайомилися, з яких речовин виготовляють відомі нині матеріали. Природними ресурсами для створення нових матеріалів є металічні та неметалічні матеріали.

Металічні матеріали. Про металічні матеріали та їхні сплави ви довідалися, вивчаючи метали (§ 25).

Пригадайте застосування алюмінію, міді, заліза та їхніх сплавів, скориставшись рис. 49-51, с. 137, 139.

У промислових масштабах використовують магнієві, титанові, нікелеві й інші сплави.

Магній, як металічний матеріал, використовують для синтезу органічних сполук, у піротехніці, як розкислювач у металургії, відновник металів у виробництві сплавів. Магнієві сплави належать до найлегших конструкційних матеріалів. Характеризуються високою міцністю, легкою обробкою, доволі добре піддаються різанню та зварюванню.

Дуже важливим матеріалом для виготовлення радіоламп є металічний цирконій. Проте значно ширшого застосування як матеріали набули його сплави. Зокрема, сплав з нікелем і кобальтом використовують як замінник швидкорізальної інструментальної сталі; сплав цирконію з міддю, нікелем і кобальтом — при виготовленні різальних інструментів, зварювальних електродів, хімічної апаратури. Цирконій оксид досить тугоплавкий, тому його застосовують як матеріал для виробництва дроту, тиглів, цементу. Також широко використовують сплави цирконію з оловом, залізом, нікелем і хромом, що мають високу міцність і корозійну стійкість.

Довідатися більше про титан та його сполуки ви зможете, ознайомившись із рис. 65.

Рис. 65. Схема застосування титану та його сполук

Важливе значення в створенні нових матеріалів має порошкова металургія, суть якої полягає в створенні технології виробництва порошків і виготовленні виробів з них. Основна перевага порошкової металургії — добування матеріалів, які неможливо отримати іншим способом. Це тугоплавкі матеріали вольфраму й танталу, сплави на основі їхніх карбідів; композиційні матеріали з металів і неметалів; пористі матеріали тощо. Крім того, учені створюють матеріали з кращими техніко-економічними показниками. Це сприяє економії металу, оскільки вироби виготовляють литтям. Використовуючи чисті порошки під час спікання, отримують матеріали з меншим вмістом домішок і кращими показниками твердості, термостійкості, стійкості до корозії та дії радіації тощо.

Технологія порошкової металургії дає значний економічний ефект, оскільки: а) покращується якість матеріалу; б) отримують матеріали з особливими властивостями або заданими характеристиками, які неможливо отримати іншим способом; в) традиційне виготовлення сплавів є більш затратним для промисловості.

Металургійна промисловість виробляє не тільки сплави, а й чисті та надчисті метали.- Це золото, платина й платинові метали, срібло тощо. Надчисті матеріали мають дуже низький вміст домішок. Їх у 100 й більше разів менше, ніж у чистих. Масова частка домішок може становити всього 0,0001 %.

Розрізняють такі кваліфікації металічних матеріалів, як «чистий», «чистий для аналізу» та «хімічно чистий». Матеріали кваліфікації «чистий» застосовують для експериментів та у виробництві, а «чисті для аналізу» — для аналітичних робіт у наукових дослідах, що потребують високої точності. «Хімічно чисті» матеріали призначені лише для аналітичних досліджень.

Неметалічні матеріали. З неметалічних матеріалів широкого застосування набули полімери, на основі яких добувають синтетичні смоли та пластмаси й каучуки. Вони міцні, стійкі до стирання та дії агресивних середовищ, високих температур, добрі діелектрики. Неметалічними матеріалами, виробництво яких ґрунтується на хімічних процесах, є кераміка, цемент, скло, бетон (див. § 38). Це універсальні будівельні матеріали, які застосовують у всіх будівельних галузях. У сучасному будівництві широко застосовують залізобетонні конструкції.

Композиційний матеріал, або композит, — матеріал, у якому поєднуються два або більше компонентів, що нерозчинні або малорозчинні один в одному й мають різні властивості. Ці матеріали складаються з основи та наповнювачів. Кожний компонент виконує свою функцію: пластична основа — це зв’язувальний матеріал, а наповнювач надає міцності (рис. 66, а).

Рис. 66. Композити: а — на основі поліетилену; б — деревинно-полімерний композит (ДПК)

Особливий клас матеріалів — природні, зокрема деревинні. Їх поділяють на лісоматеріали та деревинні композиційні (рис. 69, б). Деревинні композиційні матеріали отримують обробкою натуральної деревини за високих температур під тиском, просочуванням деревини хімічними речовинами та склеюванням. За такої обробки змінюється її природна фізична структура та хімічний склад.

Металокерамічні композити (кермети) отримують пресуванням заготовок з порошків (металів і кераміки) з подальшим їхнім спіканням.

Виробляють також композити на основі алюмінію, берилію, нікелю, кобальту. Матриці цих композитів можуть складатися з чистих металів або сплавів на їхній основі. Серед сплавів важливу роль відіграють силіциди металів. Їх виготовляють за технологією прямого синтезу силіцидів з металу та силіцію. Крім того, розроблено технологію відновлення оксидів металічних елементів силіцієм.

Норпласти — це композити, основою яких є полімери. Наповнювачі норпластів дуже різноманітні. З них виготовляють автомобільні коврики.

До композитів належать піни — матеріали, наповнені газами.

Композити мають високу міцність, пластичність, пружність і зносостійкість.

Новими композиційними матеріалами, які використовують в авіаційній та ракето-космічній техніці, є матеріали на основі боридів і силіцидів металів. Це нова технологія, яка створена та впроваджена в Україні.

Підсумовуючи зазначене, доходимо висновку, що хімія відіграє важливу роль у створенні нових матеріалів, які набули широкого застосування в багатьох галузях суспільного господарства.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Матеріалами називають речовини, що використовуються для виготовлення фізичних тіл, предметів для вжитку чи виробництва.

• Розрізняють металічні та неметалічні матеріали. Металічні матеріали — сплави на основі міді, алюмінію, магнію, титану.

• Порошкова металургія — технологія виробництва порошків і виготовлення виробів з них, що дає змогу добувати матеріали, які неможливо отримати іншим способом. Це тугоплавкі матеріали вольфраму й танталу, сплави на основі їхніх карбідів.

• З неметалічних матеріалів створено синтетичні полімери, каучуки, кераміку, цемент, скло.

• Новими матеріалами є група неметалічних, які отримали назву композити. Це матеріали, у яких поєднуються два або більше компонентів, що складаються з основи та наповнювачів.

• До композиційних матеріалів належать кермети, норпласти, піни. Нові композиційні матеріали, які використовують в авіаційній та ракето-космічній техніці, виготовляють на основі боридів і силіцидів металів.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Поясніть, як ви розумієте поняття «матеріали».
• 2. Охарактеризуйте: а) металічні матеріали та їхні сплави; б) неметалічні матеріали, які широко використовують у промисловому виробництві.
• 3. Обґрунтуйте, у чому переваги технології застосування порошкової металургії.
• 4. Поясніть, що таке композиційні матеріали. Охарактеризуйте склад і застосування керметів, норпластів, пін.
• 5. Для аналізу сплаву заліза на вміст вуглецю спалили зразок сплаву масою 3 г. Унаслідок реакції утворився карбон(IV) оксид об’ємом 11,19 мл (н. у.). Обчисліть масову частку вуглецю в сплаві. Визначте, який це сплав.
• 6. Хром(ІІІ) оксид масою 76 кг відновили методом алюмінотермії. Маса утвореного хрому становила 48 кг. Обчисліть відносний вихід продукту реакції.
• 7. Ферум(ІІІ) оксид масою 64 кг відновили вуглецем. Маса утвореного заліза становила 20 кг. Обчисліть відносний вихід продукту реакції.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Композиційні матеріали набули широкого застосування, оскільки характеризуються особливими властивостями. Так, композити на основі берилію, у яких як матрицю використовують берилій оксид або берилій карбід, застосовують для тривалої роботи за високих температур.

• Магнієві композити зміцнюються його оксидом. Їм властиві низька щільність і тривала міцність. Перспективою є використання в авіації.

• Нікелево-кобальтові композити використовують за температур понад 1000 °С. Високої міцності досягають завдяки введенню торій та гафній оксидів масовою часткою 2-4 %. Як матрицю використовують сплав нікелю з хромом (ніхром) або сплав кобальту з цирконієм. Галузі застосування — авіаційна та космічна техніка.

• У розробці теоретичних основ найважливіших процесів порошкової металургії провідне місце посідає Інститут проблем матеріалознавства НАН України. Перший в Україні завод порошкової металургії став до ладу в м. Броварах (поблизу Києва) у 1965 р.

• Композити використовували в будівництві екологічно чистих осель. Це валики глини, змішаної із соломою, з яких викладали стіни та перегородки між кімнатами. Пізніше цей матеріал замінили цеглою.