|
|
ХІМІЯ Електронний посібник |
|||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
11.1. Роль хімії у створенні нових матеріалів 11.2. Зелена хімія: сучасні завдання перед
хімічною наукою і технологією 11.1. Роль хімії у створенні нових матеріалів Хімічна наука постійно розвивається в теоретичному
плані, а досягнення хімічної технології й органічного синтезу використовують
у найрізноманітніших сферах людської діяльності. Підтвердження цього – її
успіхи в розв’язанні сировинної, енергетичної, продовольчої проблем,
створенні нових матеріалів. Видатними досягненнями хімічної науки і хімічної
технології ХХ ст. стали: синтез високомолекулярних речовин, заміна у багатьох
виробництвах натуральної сировини на вуглеводневу, синтез і розроблення
технології виробництва ліків, засобів захисту рослин, вітамінів, створення
нових сплавів і матеріалів із наперед заданими властивостями (мал.11.1).
Мал.
11.1. Вироби побутового призначення, створені з нових матеріалів Кінець ХХ і початок ХХІ ст. увінчалися новітніми
відкриттями, про які тривалий час люди лише мріяли. Це стосується: нових
речовин, матеріалів, джерел струму, синтезу нових, відсутніх у природі,
хімічних елементів і речовин; розвитку нового напряму хімічної науки –
квантової хімії; дослідження наноструктур, застосування нанотехнологій,
синтезу фулеренів і нанотрубок; розвитку хімічної медицини; отримання нових
нанокаталізаторів і вивчення механізму каталітичних реакцій на нанокристалах;
комп’ютерного моделювання молекул і хімічних реакцій тощо.
Комп’ютерне моделювання дає змогу зрозуміти, як
влаштований мікросвіт на молекулярному рівні. Відтак, комп’ютер стає звичним інструментом
хімічних досліджень й університети України у ХХІ ст. розпочали підготовку
фахівців з хемоінформатики. Сучасні досягнення хімії, фізики, біології дали
можливість перейти від макродосліджень до досліджень на атомному рівні,
завдяки чому з’явилися нанотехнології.
Нанохімія досліджує синтез нанодисперсних кристалів і
матеріалів, регулювання хімічних перетворень тіл нанометричних розмірів,
запобігання хімічній деградації наноструктур, внутрішньомолекулярні
перегрупування атомів під механічним, електричним або магнітним впливами
тощо. Роль хімії у
розв’язанні сировинної і продовольчої проблем. Донедавна людина не
замислювалася над тим, що природної сировини може не вистачити для її
різноманітних потреб. Нині науково-технічний прогрес спонукає науку й
виробництво шукати нові джерела сировини для виробництва різноманітних
речовин і матеріалів. Сировинною базою для добування неорганічних речовин
більшою мірою є наявні природні корисні копалини, а також вода й складові повітря.
Майже до середини ХХ ст. сировиною для органічного синтезу були речовини,
виділені з кам’яновугільної смоли, що утворюється в результаті коксування
кам’яного вугілля, та сировина рослинного і тваринного походження. Проте з
20-х років минулого століття досягнення нафтохімії спричинили поступову
заміну кам’яновугільної сировини нафтовою. З метою розв’язання сировинної
проблеми почали використовувати й речовини, виділені з природного газу. Сировиною для виробництва багатьох речовин і матеріалів
служать органічні речовини, що входять до складу
нафти, природного газу, кам’яного вугілля, а також речовини, виділені з них
шляхом первинної переробки (наприклад, продукти прямої перегонки нафти). Метан як цінну сировину у
великих кількостях використовують для добування етину, метанолу, метаналю,
метанової кислоти:
З парафінів (твердих
насичених вуглеводнів) нерозгалуженої будови добувають вищі спирти та вищі
жирні кислоти (містять понад 10 атомів Карбону). Так вирішується
сировинна проблема виробництва поверхнево-активних речовин, синтетичних
мийних засобів тощо. З етену С2Н4
добувають етанол, етанову кислоту, поліетилен. Щоб добути етанову кислоту,
необхідно провести кілька реакцій (стадій), наприклад, за такою схемою:
Ви вже знаєте, що одну й ту саму сполуку можна добувати
з різних речовин і різними способами. Проілюструємо це на прикладі синтезу
етанолу С2Н5ОН.
За температури 300 °С його можна синтезувати з етену в одну стадію,
здійснивши реакцію гідратації з використанням ортофосфатної кислоти як
каталізатора.
У промисловості цей спосіб має широке використання.
Одержаний етанол (його ще називають технічним
етиловим спиртом) є сировиною для синтезу каучуків, барвників, лікарських препаратів тощо.
Для медичних цілей і виготовлення спиртних напоїв етанол добувають спиртовим
бродінням глюкози, одержаної з виноградного соку або крохмалю:
Реакція відбувається з використанням дріжджів. Спирт,
добутий цим методом, називають винним.
Ще один спосіб промислового добування етанолу ґрунтується на вико-ристанні
природної сировини – деревини, що на 50 % складається з целюлози (С6Н10О5)n. Відходи деревини у вигляді тирси
піддають гідролізу з використанням розбавленої сульфатної кислоти як
каталізатора за температури 150 – 170 °С:
З одержаної глюкози добувають етанол, який називають гідролізним. Етен використовують як
вуглеводневу сировину у виробництві стирену — мономера полістирену. Із
вуглеводнів, галогенів, гідроген галогенідів синтезують багато розчинників,
інсектицидів й інших речовин. Цінною вуглеводневою сировиною органічного
синтезу є етин С2Н2.
Окисненням аренів одержують мономер для виробництва волокна лавсану і
компонент термостійких пластмас – терефталеву кислоту:
Із хлоропохідних
аренів виробляють ефективні гербіциди, розчинники та ізоляційні масла для
трансформаторів. Як бачимо, здійснюючи різноманітні синтези, хімія відіграє
величезну роль у розв’язанні сировинної проблеми (мал. 11.2).
Мал.
11.2. Схема використання вуглеводневої сировини для синтезу
органічних сполук і матеріалів Роль хімії у
розв’язанні продовольчої проблеми. Продовольча проблема є глобальною проблемою людства.
Зменшення посівних площ і збільшення населення на планеті роблять її
актуальною для всього світу. Один із способів вирішення цієї проблеми –
збільшення виробництва рослинної і тваринної їжі. Також у лабораторіях різних
країн досліджують способи отримання їжі з різної сировини, розробляються
технології виробництва синтетичних харчових продуктів. Роль хімії у вирішенні продовольчої проблеми ілюструє
схема (мал. 11.3).
Мал. 11.3.
Роль хімії у розв’язанні продовольчої проблеми Значення хімії у
розв’язанні енергетичної й екологічної проблем. Значну кількість
електричної енергії виробляють теплові електростанції, що працюють на
невідновних природних ресурсах – вугіллі, нафті, природному газі, торфі,
сланцях. З роками потреби в електроенергії зростають, водночас запаси
зазначених невідновних джерел енергії безповоротно зменшуються. Тому науковці
й конструктори працюють над розвитком вітроенергетики, геліоенергетики, біоенергетики, водневої енергетики, досліджують інші види
відновної енергії.
Значення хімії у розробленні відновних
джерел електроенергії. Хіміки й технологи розробляють матеріали для
виготовлення вітряків і сонячних батарей, вивчають технологічні процеси
одержання біогазу й водню в енергетичних цілях. Цінність водневої
енергетики полягає в тому, що під час спалювання водню не виділяються
шкідливі речовини, а добувають його з дешевої сировини – води. Сонячні
батареї вже давно застосовують у навігаційних спорудах і на космічних
кораблях. Нині їх можна бачити навіть на приватних житлових будинках,
вуличних електричних стовпах (мал. 11.4). Геліоенергетика – так називають
одержання електричної або теплової енергії за рахунок сонячної. Хіміки
встановили, що для виготовлення фотогальванічних елементів сонячних батарей,
які перетворюють сонячну енергію в електричну, головним напівпровідниковим
матеріалом є силіцій та сполуки Силіцію. Технологія їх виготовлення базується
на використанні в якості сировини поширеного у природі кварцового піску SiO2. У новому тисячолітті приріст виробництва електроенергії
відбуватиметься внаслідок розвитку сонячної енергетики, а також метанового
бродіння побутових відходів та інших нетрадиційних джерел добування енергії.
Приклади розв’язання
енергетичної проблеми в Україні. Українська вітроенергетика бере початок зі
створення у Донецькій області Новоазовської ВЕС, турбіну для якої виготовлено
на заводі «Південмаш» у м. Дніпро. У м. Токмак Запорізької області введено в
експлуатацію першу чергу найбільшої в Україні сонячної електростанції Тоkmak Solar Energy. Завдяки її роботі викидів вуглекислого газу в
атмосферу стало менше майже на 24 тис. тонн на рік, що дорівнює кількості
викидів в атмосферу близько 15 тис. автомобілів за цей самий час. У м. Боярка
Київської області запущено в експлуатацію сонячну електростанцію, що
складається з 1140 сонячних панелей загальною площею 1850 м2. Ботієвська ВЕС, що поблизу села Приморський Посад
Приазовського району Запорізької області – найбільша вітрова електростанція
України (мал. 11.5). На момент введення в експлуатацію Ботієвська ВЕС входила
до п’ятірки найбільших вітроелектростанцій Центральної та Східної Європи. Роль хімії у
розв’язанні екологічних проблем. Цей вид проблем значною мірою зумовлений
діяльністю людей, які, дбаючи про свій комфорт і вигоду, не переймаються
негативними наслідками їхньої діяльності для довкілля.
Екологічні проблеми можуть виникати як на етапі
виробництва, так і використання хімічної продукції. З метою їх запобігання,
зведенню до мінімуму негативного впливу на довкілля, на заводах
хіміки-технологи опікуються точністю перебігу хіміко-технологічного процесу,
стежать, аби не відбувався витік реагентів чи відходів у навколишнє
середовище. Хіміки-дослідники весь час працюють над удосконаленням існуючих,
а також над синтезом нових безпечних в екологічному сенсі синтетичних
матеріалів. На ліквідацію екологічних проблем, пов’язаних з виробництвом і
використанням речовин і матеріалів, спрямовані заходи міжнародної спільноти
та кожної держави окремо. Полімери створюють комфорт і водночас є забруднювачами.
З інформаційних джерел відомо, що у 2016 р. українці відправили на сміттєві
полігони майже 11 млн тонн побутових відходів. Приблизно двадцята частина від
усіх відходів – пластик та інші полімери. Щороку у світі виробляється майже
400 млн тонн пластмас, і приблизно 80 % з них наприкінці експлуатації потрапляють
в ліси, парки, водойми як сміття. Термін розкладання пластмас величезний. Будь-який
пластмасовий виріб: пакет, пляшка чи продуктовий контейнер, залишаються без
змін як мінімум 180 років. Тому перед хімічною наукою і хімічною технологію
постали невідкладні завдання з розроблення технологій повторної переробки
відходів. Вирішувати екологічні проблеми, пов’язані з
пластмасовими відходами, під силу кожному. Варто лише бути елементарно
обізнаними з маркуванням та способами утилізації і взяти за правило здавати
відпрацьовані пластмаси, папір, металеві вироби на повторну переробку. Друге життя сміття в ЄС, або як розв’язання екологічної
проблеми стає прибутковим бізнесом. У багатьох країнах переробку сміття
зробили прибутковою справою. Існують різні способи переробки й утилізації
використаної продукції хімічних виробництв, щонайперше, пластмасової тари.
Деякі з них не лише допомагають у вирішенні проблем довкілля, а й здатні
приносити прибуток. Світовою тенденцією стало виготовлення пакувальних
матеріалів із паперу, тканини і скла (їх можна використовувати повторно), а
також виробництво біопластиків (мал. 11.6).
Мал.
11.6. Екологічно безпечні вироби ужиткового призначення
Біопластики недовговічні, а їх розкладання безпечне. У багатьох країнах Європи звичним стало сортування
сміття самими мешканцями. Зазвичай, розподіляють відходи на кілька основних
категорій: пластик, папір, скло, органічні відходи, метал, і розставляють
спеціальні контейнери для такого сортування сміття (мал. 11.7).
Мал.
11.7. Контейнери для сортування сміття Одним із лідерів переробки сміття є Швеція. Тут
переробляють 99 % усіх відходів країни і навіть імпортують сміття з інших
країн. За допомогою вторинної сировини опалюють будинки, забезпечують їх
електроенергією. Зникли полігони зі сміттям у Німеччині, Швейцарії та
Австрії, адже 97 % відходів тут також переробляють. Уся цементна
промисловість цих держав працює на спалюванні сміття й автопокришок. Завдяки
спеціальній обробці відпрацьованих шин, одержані матеріали використовують для
виготовлення килимків, підошов до взуття, покриття тенісних кортів, у
будівництві доріг тощо. В Україні ситуація з переробкою сміття не така успішна,
як у зазначених країнах, але на вулицях і в спеціально відведених місцях все
більше з’являється контейнерів для пластмасових і паперових відходів. 11.2. Зелена хімія: сучасні
завдання перед хімічною наукою і технологією «Зелена» хімія (Green Chemistry) – новий науковий
напрямок, що виник у 90-і роки XX ст. Термін означає, щонайперше, свого роду філософію хімічних досліджень
та інженерії, що закликає до створення продуктів і процесів, які дають змогу
мінімізувати використання та виробництво шкідливих речовин. За цією
філософією нові схеми хімічних реакцій і процесів, які розробляють в багатьох
лабораторіях світу, покликані кардинально скоротити шкідливий вплив
великотоннажних хімічних виробництв на довкілля. Метою «зеленої» хімії є зменшення та запобігання
забрудненню довкілля вже на початку розроблення
хімічних технологій, тобто, унеможливлення появи негативних екологічних
наслідків після її запуску у виробництво. З огляду на це, «зелена» хімія як
хімічна філософія, стосується різних галузей хімічної науки.
До завдань
«зеленої» хімії належать не лише зменшення шкідливого впливу хімічних
виробництв на природу, а й пошук шляхів збільшення ефективності кожного з
хіміко-технологічних процесів. Як приклад «зеленої» хімії можна навести водневу
енергетику. «Зелена» хімія стосується всього життєвого циклу
хімічної продукції: проєктування, виробництва, використання та кінцевої
утилізації. За «зеленою» хімією майбутній добробут нашої планети.
Усю широту
та філософську концептуальність «зеленої» хімії ілюструють її принципи: 1) Запобігання утворенню відходів. 2) Максимальний практичний
вихід продукції з мінімальною кількістю відходів або без них. 3) Розробка менш
небезпечних хімічних синтезів. 4) Створення безпечних
хімічних речовин і продуктів. 5) Використання безпечних
розчинників та умов реакції. 6) Підвищення енергоефективності. 7) Використання відновлюваної сировини. 8) Уникнення утворення побічних продуктів. 9) Використання каталізаторів. 10) Створення матеріалів,
що після використання розкладаються до нешкідливих для довкілля речовин. 11) Моніторинг і контроль
синтезу хімічної продукції з метою мінімізувати або усунути утворення
побічних продуктів. 12) Зведення до мінімуму
можливості нещасних випадків. Як бачите, «зелена» хімія – це відкриття, розробка і
застосування хімічних продуктів і процесів, що зменшують або виключають
використання і утворення шкідливих речовин. «Зелену» хімію характеризують
хімічні процеси, які відбуваються у сприятливих для навколишнього середовища
умовах, вдумливий відбір реагентів і схем процесів, які виключають використання
шкідливих речовин і забезпечують отримання нешкідливої навколишньому
середовищу продукції. У наш час основними
технологіями «зеленої» хімії стають біотехнологія та біоінженерія, які
вивчають і реалізують синтез з високим відсотком практичного виходу речовин
за допомогою біологічних агентів (мікроорганізмів, вірусів, трансгенних
рослин і тварин). Питання для самоконтролю 1. Схарактеризуйте роль хімії у
розв’язанні: а) сировинної проблеми; б) продовольчої проблеми. 2. Назвіть відомі вам способи
добування органічних речовин. 3. Оцініть значення хімії у
розв’язанні енергетичної проблем. |
||||||||||||||||||
