Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Савчин

§ 43. РОЛЬ ХІМІЇ В РОЗВ'ЯЗАННІ СИРОВИННОЇ ПРОБЛЕМИ

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • називати сировинні джерела природного та синтетичного походження;
  • пояснювати значення сировини для розвитку хімічної промисловості; виявлення нових видів сировини; комплексне використання та застосування вторинної сировини;
  • усвідомлювати потребу бережливого й економного використання природної сировини; роль органічної хімії в розв'язанні сировинної проблеми;
  • оцінювати значення хімії в розв'язанні сировинної проблеми;
  • висловлювати судження щодо значення хімічних знань як складника загальної культури людини; про вплив діяльності людини на довкілля; про ставлення до природи як найвищої цінності.

Серед основних завдань хімії важливе значення має проблема створення сировинних ресурсів для розвитку різних галузей суспільного господарства. Це насамперед створення альтернативної природної дешевої сировини та комплексне її використання, багаторазове використання сировини та відходів як сировини.

Пригадайте, що таке сировина.

Вивчаючи хімію, ви ознайомилися з природними сировинними джерелами: нафтою, природним і супутніми нафтовими газами, кам'яним і бурим вугіллям і продуктами їхньої переробки.

Сировиною називають природні речовини або матеріали, які використовують для виробництва продуктів різних галузей промислового виробництва.

Однак природні запаси з часом вичерпуються, а попит на сировину як компонент споживання постійно зростає. Саме невідповідність між природними запасами й потребами споживання створює одну з актуальних проблем усього людства — збереження та раціональне використання сировини.

Природний газ насамперед використовують у різних галузях промислового виробництва, у побуті як паливо. З нього шляхом термічного розкладу добувають вуглець, водень, етин. Ці продукти є цінною сировиною для добування амоніаку, відновлення металів з їхніх оксидів (водень), добування бензену, галогенопохідних, етену (етин), виробництва ґуми та ґумових виробів (вуглець).

Супутні нафтові гази — це суміш вуглеводнів, які розділяють і використовують як сировину в органічному синтезі.

Неоціненним сировинним джерелом є нафта. Перегонкою нафти отримують велику кількість нафтопродуктів, зокрема бензин, гас, газойль і мазут. Кожний з цих нафтопродуктів є сумішшю вуглеводнів, які застосовують як паливо (бензин, гас, мазут), як сировину для хімічної промисловості та субстанцію для мікробіологічного синтезу білків.

Кам'яне вугілля — це передусім кокс, без якого неможлива металургійна промисловість. Крім нього, добувають амоніачну воду, кам'яновугільну смолу, коксовий газ. Усі ці продукти посідають вагоме місце як сировинне джерело хімічної промисловості й органічного синтезу.

Пригадайте, як використовують продукти, що добувають унаслідок перегонки нафти та коксування кам'яного вугілля.

До природних сировинних матеріалів належить і деревина. Україна багата на неосяжні лісові простори. Важливо пам'ятати: щоб виростити дерево на матеріал, потрібно не один рік. Розглянемо сфери використання деревини в промислових масштабах (рис. 71).

Рис. 71. Схема промислового використання деревини

Крім деревини, сировиною для виробництва натуральних волокон є рослини: льон, конопля, бавовна; тваринного походження — вовна, шовк.

Природною сировиною, на яку багаті надра України, є гірські породи та мінерали, руди, що містять залізо, мідь, цинк, алюміній, манган, хром, титан тощо.

Основні сфери використання гірських порід і мінералів відображено на рис. 72.

Рис. 72. Схема використання гірських порід і мінералів

Органічні речовини: кристалічну глюкозу, технічні сахарозу та лактозу, крохмаль, етанол, етанову кислоту й неорганічні — хлоридну, сульфатну, ортофосфатну кислоти — використовують як сировину мікробіологічного виробництва для створення поживних середовищ.

Важливою умовою раціонального використання сировини є комплексність, тобто цілеспрямоване й безвідходне її застосування. Багаторазового використання сировини досягають рециркуляцією та регенерацією.

Рециркуляція — це багаторазове повне або часткове повернення потоку газів, рідких або твердих речовин у технологічний процес. Наприклад, рециркуляція гарячої води, водяної пари, виробничих газів: амоніаку, сульфур(IV) оксиду, карбон(IV) оксиду, нітроген(IV) оксиду. Нетрадиційний спосіб окиснення сульфур(IV) оксиду газових викидів підприємств кольорової металургії та димових викидів ТЕЦ знижує витрати на добування сульфатної кислоти масою 1 т на 30 % і заощаджує паливо.

Регенерація — це відновлення попереднього складу й будови речовини та її повторне використання. Нагріту під час виробничих процесів воду охолоджують і повторно використовують. Використання очисних споруд дає змогу вловлювати гази та знову подавати їх у виробничий процес. Прикладом регенерації є також вторинна переробка металів. Це дає певний економічний ефект. Під час переробки металобрухту на чавун і сталь, алюмінієві та мідні сплави знижується затрата енергії в 3-20 разів, а отже, і собівартість цих матеріалів.

Накопичення промислових і побутових відходів забруднюють довкілля: повітря, ґрунти, водойми. Щоб знешкодити промислові відходи, збирають і переробляють вторинну сировину, зокрема у великій кількості повторно використовують відходи обробки металів, деревини, як паливо — водний газ. Наприклад, видобування рідкісних і кольорових металів з відходів гальванічних виробництв. Відходи деревини пресують. Так, пресовану деревину осики, берези й вільхи використовують для виробництва деталей машин, підшипників, прокладок. Раніше ці деталі виготовляли тільки з металу. Доведено, що деталі з пресованої деревини служать у декілька разів довше, а вартість їхнього виробництва в 3-10 разів нижча.

Вам уже відомо, що поліетилен спричиняє значне забруднення довкілля. Однак цей матеріал піддається переробці з певним економічним ефектом. Доведено, що під час переробки поліетилену масою 1 т економиться бензин масою 3 т і нафта масою приблизно 16 т. Практично майже всі види відходів хімічної промисловості можуть бути сировинними джерелами для інших її виробництв.

З промислових відходів широкий спектр використання отримали паливна зола та сплави. З них виробляють будівельні розчини, бетон, цемент, силікатну цеглу, теплоізоляційні матеріали. У хімічній промисловості — кальцій карбід, у металургії — чисті метали та їхні сплави.

Шлаки, утворені під час виплавляння чавуну та сталі, містять силіцій, кальцій, магній, марганець і залізо, які використовують для виробництва панелей.

Важливою сировиною мікробіологічного виробництва є побічний продукт цукрової промисловості — меляса. До її складу входять амінокислоти: аспарагінова, глутамінова, лейцин, ізолейцин і тирозин. Крім них, вітаміни групи В — біотин, тіамін, рибофлавін, інозит, нікотинова й пантотенова кислоти. У мікробіологічному синтезі надзвичайно важливе значення має біотин.

З побутових відходів вторинній переробці можна піддати макулатуру, скло, текстиль, пластмаси, харчові відходи, чорні та кольорові метали. Їхнє повторне використання дає значну економію коштів, оскільки продукти переробки будуть залучені в господарський обіг. Наприклад, розглянемо переробку макулатури. З неї виготовляють: гофрований картон, який використовують для пакування різноманітної продукції; тарний картон — коробки, картонні прокладки, пакувальні коробки, піддони; офісний папір, оскільки не завжди робочі матеріали необхідно робити на білосніжному папері.

Вторинною переробкою макулатури виготовляють приладдя: папки, блокноти, папір для нотаток тощо (рис. 73).

Рис. 73. Приладдя, виготовлене з макулатури

Альтернативними джерелами дешевої сировини в найближчому майбутньому є розробки шельфів, які містять велику кількість нафти та газу. Метаногідрати — потужне джерело метану. На території України є велика кількість горючих сланців, з яких можна добувати сланцевий газ.

Вивчаючи волокна, ви довідалися, що сировиною для їхнього виробництва можуть бути природні полімери рослинного та тваринного походження.

Пригадайте, які волокна виробляють з рослинної та тваринної сировини.

Однак задовольнити дедалі більший попит на матеріали тільки природною сировиною практично неможливо. Тому для виробництва багатьох матеріалів використовують як сировину продукти хімічної промисловості. Полімери є сировиною для виготовлення пластмас, синтетичні каучуки — гуми; значна кількість органічних речовин є сировиною для виготовлення гігієнічних і косметичних засобів, медичних препаратів та обладнання. Отже, сировинні природні багатства та хімічні речовини мають велике значення для розвитку суспільства та різних галузей промисловості.

З огляду на зазначене, необхідно усвідомити потребу бережливого та економного використання природної сировини, виробити власні правила її використання. Маємо розуміти, що для економічного розвитку держави та добробуту людей важливо припинити непланову вирубку лісів, неекономне використання ґрунтів, нераціональне використання промислових і побутових відходів. Особливо важливе повторне використання побутових відходів.

Головним принципом виробничої та побутової сфер у перспективі має стати вимога часу: усе переробляється, використовується, нейтралізується, повертається у виробничий процес.

Отже, хімічна наука робить великий внесок у розв'язання сировинної проблеми. І вам, громадянам України, необхідно ставитися до природи та її багатств як до найвищої суспільної цінності. Запорукою такого ставлення є ваша активність та ініціативність у вирішенні багатьох проблем, відповідальність за правильно прийняті рішення.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

Сировиною називають природні речовини або матеріали, які використовують для виробництва продуктів різних галузей суспільного господарства.

Завданнями хімії щодо розв'язання сировинної проблеми є: розвідування та створення альтернативної дешевої сировини; комплексне використання сировинних ресурсів; багаторазове застосування сировини; використання промислових і побутових відходів.

• Щоб розв'язати ці проблеми, хімічна промисловість займається переробкою нафти, газу та кам'яного вугілля, деревини, гірських порід і мінералів, промислових і побутових відходів.

• Для задоволення дедалі більшого попиту на матеріали використовують як сировину продукти хімічної промисловості — синтетичні високомолекулярні речовини: метали та їхні сплави, полімери, каучуки, гуму, волокна.

• Важливого значення набуває вторинна переробка промислових і побутових відходів. Промислові — відходи обробки металів, деревини, гальванічних виробництв; побутові — макулатура, скло, текстиль, пластмаси, харчові відходи, чорні та кольорові метали.

• Через невідповідність між природними запасами й потребами споживання виникає одна з актуальних проблем людства — збереження та раціональне використання природної та вторинної сировини.

• Головним принципом виробничої та побутової сфер у перспективі має стати вимога часу: усе переробляється, використовується, нейтралізується, повертається у виробничий процес.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

  • 1. Поясніть, як ви розумієте поняття «сировина».
  • 2. Охарактеризуйте основні завдання хімії в розв'язанні сировинної проблеми.
  • 3. Як сировину для добування етину використовують кальцій карбід. З етину за допомогою певних перетворень можна добути речовини інших класів. Складіть рівняння реакцій за схемою та назвіть утворені речовини: СаС2 → С2Н2 → С2Н4 → С2Н5Сl → С2Н5ОН → СН3СООН → СН3СООС2Н5.
  • 4. Сировиною для виплавки заліза є його оксиди. Здійсніть перетворення за схемою та поясніть, чи буде раціональним цей спосіб добування заліза: FeO → FeCl2 → Fe(OH)2→ FeO → Fe.
  • 5. Обчисліть і позначте маси алюмінію та ферум(ІІ, ІІІ) оксиду, що вступили в реакцію алюмінотермії, якщо відновилося залізо масою 8,96 г.

А 12,39 г Fe3O4 і 3,84 г Al

Б 12,47 г Fe3O4 і 3,87 г Al

В 11,73 г Fe3O4 і 3,27 г Al

Г 12,87 г Fe3O4 і 3,78 г Al

  • 6. Під час виробництва цементу як один з компонентів сировини використовують вапняк. Обчисліть вміст кальцій карбонату у вапняку масою 1,6 т, якщо внаслідок його термічного розкладу отримали негашене вапно масою 806,4 кг.
  • 7. Для відновлення заліза з ферум(ІІІ) оксиду масою 32 кг витратили водень об'ємом 15 м3 (н. у.). Обчисліть масу відновленого заліза.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• Для економії природної сировини в Японії виготовляють папір багаторазового використання. Написане на такому папері змивають водою та іншими розчинниками.

• Переробка паперових виробів, відпрацьованого паперу та картону має важливе екологічне значення. Установлено, що кожна перероблена тонна паперу в середньому зберігає 17 дерев, 60 тис. галонів води, 225 кВт · год електроенергії і 2,5 м3 площі полігонів.

• Дослідження, проведене в Пенсильванському університеті, довело, що зміна встановлених за замовчуванням полів текстових документів в 1 дюйм (2,54 см) на 0,75 дюйма (1,91 см) щорічно заощаджує 120 тис. доларів США, ураховуючи вартість паперу та переробку відходів. Щодо дерев, то такий крок збереже 72 акри (28,8 га) лісів.