Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

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

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • оцінити роль хімії у розв’язуванні екологічної проблеми;
  • усвідомити значення нової філософії в хімії та власної громадянської позиції для реалізації концепції збалансованого розвитку суспільства; причиново-наслідкові зв’язки у природі та її цінність і цілісність; право на власний вибір і прийняття рішення; відповідальність за збереження довкілля від шкідливих викидів.

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 хімії1. 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

https://www.jase-w.eccj.or.jp/technologies-r/pdf/oil_refinery_chemicals/P-02.pdf

https://ecotechnica.com.ua/technology/2709-gigantskaya-mashina-ulavlivaet-co2-iz-vozdukha-i-otpravlyaet-ego-v-teplitsy-dlya-vyrashchivaniya-ovoshchej.html

http://efaculty.kiev.ua/fermentativnaia-membrana-dlia-ylavlivaniia-so2

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».