Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

§ 39. Значення хімії у розв'язанні енергетичної й екологічної проблем. «Зелена» хімія

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 необхідні матеріали для виготовлення вітряків і сонячних батарей, вивчають технологічні процеси одержання біогазу й водню в енергетичних цілях.

Цінність водневої енергетики полягає в тому, що при спалюванні 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. 94).

Мал. 94. Сонячна батарея на приватному будинку і вуличних електричних стовпах

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 буде відбуватися за рахунок 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 Tokmak 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. 95).

Мал. 95. Ботієвська ВЕС

На момент введення в експлуатацію Ботієвська ВЕС входила до п'ятірки найбільших вітроелектростанцій Центральної та Східної Європи.

Сторінка ерудита

Довжина найбільшого компонента вітроагрегату — його лопаті — може становити 55 м, а вага — 12 т, висота вежі — 94 м, а загальна висота конструкції — 149 м. Площа поверхні, яку описують лопаті такої турбіни, становить майже 1 га. Сумарна вага агрегату без фундаменту становить 400 т, вага найважчої частини — нижньої секції башти — 78 т. Лопать здійснює до 13 об/хв.

Біо ТЕС (біотеплоелектростанції) працюють на відходах сільського та лісового господарства (солома, кукурудза, деревна тирса тощо). Ці компактні станції будують у різних куточках України лише за однієї умови — наявності достатньої кількості сировини, тобто біомаси.

У геліо-, вітро-, біоенергетики відсутня паливна складова, а значить і токсичні викиди та золошлакові відходи, що робить виробництво енергії екологічно безпечним. Ці види енергії сприяють сталому розвитку суспільства.

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 — негативні зміни, що настають у природі під впливом забруднення води, повітря, ґрунту, зменшення біорізноманіття тощо.

Екологічні проблеми можуть виникати як на етапі виробництва, так і на етапі 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 близько 11 млн тонн побутових відходів. Приблизно двадцята частина від усіх відходів — пластик та інші полімери. Щороку у світі виробляється близько 400 млн тонн пластмас, і приблизно 80 % з них в кінці експлуатації потрапляють в ліси, парки, водойми як сміття.

Термін розкладання пластмас величезний. Будь-який пластмасовий виріб, як-от 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.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Завдання 1. Укладіть переліки виробів із синтетичних матеріалів, якими ви користуєтесь у побуті (побутова хімія, пакувальні матеріали, вироби з тканин і пластмас тощо).

Завдання 2. Поділіться з однокласниками й однокласницями, яким чином вчиняєте з виробами із синтетичних матеріалів, паперу, скла, тканин тощо після того, як вони стають непотрібними чи непридатними для подальшого використання.

Завдання 3. З'ясуйте, до яких заходів вдаються у найближчому вашому оточенні (сім'я, будинок, населений пункт), щоб позбутися побутових відходів, не допускати екологічно шкідливого впливу побутових відходів на довкілля.

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. 96).

Мал. 96. Екологічно безпечні вироби ужиткового призначення

Біопластики — це полімери, виготовлені на основі відновлюваних ресурсів (крохмалю, рослинних олій, целюлози) або повторної переробки матеріалів з використанням мікроорганізмів (з цим видом переробки пов'язані біотехнології).

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. 97).

Мал. 97. 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 переробляються. 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.

ПОНЯТТЯ «ЗЕЛЕНА» ХІМІЯ. «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 розробляються 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.

«Зелена» хімія (екологічна хімія) — філософія хімічних досліджень та інженерії, що займається створенням продуктів і процесів, які дадуть змогу мінімізувати використання та виробництво шкідливих речовин.

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: проектування, 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 здійснюються 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).

Працюємо з медійними джерелами

Проведіть пошукову роботу і з’ясуйте, яка законодавча база державного і світового рівня регламентує екологічну безпеку людей і довкілля, які вітчизняні установи (організації) опікуються розв’язанням екологічних проблем в Україні. Поцікавтесь професіями працівників цих установ і закладами, де їх можна набути.

Застосовуємо

  • 1. Висловте судження щодо значення хімічних знань як складника загальної культури людини.
  • 2. Оцініть значення хімії у розв’язанні енергетичної та екологічної проблем.
  • 3. Виконайте один із навчальних проектів, що стосується розв’язання екологічних проблем за участю хімії й відповідає вашій громадянській позиції щодо збереження довкілля.
  • 4. Підготуйте розповідь про роль хімії у розв’язанні важливих проблем людства для популяризації здобутків цієї науки серед молодших школярів.