хімія теорія

"Зелена" хімія сучасні завдання перед хімічною наукою та хімічною технологією

Зважаючи на всі глобальні проблеми людства та України, хімія стала на шлях розвитку нового наукового напряму — «зеленої», або інакше її називають «екологічно раціональної» хімії. Це міждисциплінарна інтегрована течія в хімії, яка поєднує синтетичну органічну хімію з аналітичною та фізичною хімією, токсикологією, мікробіологією, біотехнологією та технічними науками.
«Зелену» хімію розглядають як суспільний рух і науковий напрям, що пропонує розвиток технологій, які використовують більш ефективні хімічні реакції. Вона пов'язана з «відкриттям, розробкою та застосуванням хімічних процесів, що зменшують або вилучають використання й утворення шкідливих речовин». Так трактує поняття «“зелена” хімія» Міжнародна спілка теоретичної та практичної хімії IUPAC.
Упродовж розвитку хімії як науки її основними завданнями були пошук і синтез корисних речовин і матеріалів із заданими властивостями з метою розвитку економіки. Саме це спричинило екологічні проблеми, які й нині турбують людство.
«Зелена» хімія пропонує два напрями розвитку: перший — це переробка, утилізація та знищення екологічно небезпечних побічних і відпрацьованих продуктів хімічної промисловості; другий — перспективніший, що забезпечить розробку нових промислових процесів, які не спричиняють викидів шкідливих для навколишнього середовища продуктів (навіть побічних) або зводять їхнє використання й утворення до мінімуму.
«Зелена» хімія — філософія хімічних досліджень та інженерії, що закликає до створення продуктів і процесів, які дають змогу мінімізувати використання та виробництво шкідливих речовин.

Одночасно з цим «зелена» хімія — це хімія природного довкілля.
Хімічні речовини та процеси, відповідно до принципів «зеленої» хімії, розглядаються не тільки щодо виробництва речовин і матеріалів із заданими властивостями, а й з урахуванням наслідків їхнього застосування для довкілля. Тому «зелена» хімія стосується всього циклу хімічної продукції на різних етапах виробництва та за потреби її утилізації.
Технології, які пропонує «зелена» хімія, запобігатимуть забрудненню на молекулярному рівні завдяки застосуванню інноваційних наукових розв'язань екологічних проблем. «Зелена» хімія перешкоджає утворенню шкідливих речовин, зменшує негативний вплив хімічних продуктів і процесів на здоров'я людини, у деяких випадках усуває небезпеку з уже наявних продуктів і процесів. Приділяється увага дизайну хімічних продуктів і процесів для зменшення шкоди здоров'ю та природі.
Американські хіміки П. Анастас і Дж. Уорнер у 1998 р. сформулювали й затвердили12 принципів «зеленої» хімії. Положення принципів розкривають концепцію, а саме:

— запобігання утворенню відходів (дизайн хімічного синтезу, який забезпечує запобігання утворенню відходів, не залишаючи їх для утилізації й поховання);
— максимальне збільшення складових частин (проектування синтезу так, щоб кінцевий продукт містив максимальне співвідношення вихідних матеріалів, з найменшою кількістю відходів або без них);
— розробка менш небезпечних хімічних синтезів (з використанням і генеруванням речовин з мінімальною токсичністю або нетоксичних для людей чи навколишнього середовища);
— дизайн безпечних хімічних речовин і продуктів (дизайн хімічних продуктів, які повною мірою ефективні, але мають малу токсичність або взагалі нетоксичні);
— використання безпечних розчинників та умов реакцій (щонайменше використання розчинників або інших допоміжних хімічних речовин, а в разі потреби — найбезпечніших з них);
— підвищення енергоефективності (запуск хімічних реакцій за кімнатної температури й тиску, якщо це можливо);
— використання відновлювальної сировини (використовувати сировину та відновлювальні вихідні матеріали, а не ті, що виснажуються. Джерелом відновлювальної сировини є сільськогосподарські продукти або відходи; джерелами невідновлюваної — викопне паливо (нафта, природний газ, вугілля) чи гірничі розробки;
— уникнення хімічних похідних (за можливості використання блокувальних або захисних груп чи будь-яких тимчасових модифікацій);
— використання каталізаторів, але не стехіометричних реагентів (мінімізація відходів за допомогою каталітичних реакцій. Використання ефективних каталізаторів і в малих кількостях, що можуть здійснювати одну реакцію багаторазово. Вони кращі за стехіометричні реагенти, які використовують з надлишком та одноразово);
— дизайн хімікатів і продуктів, що погіршуються після використання (дизайн хімічних продуктів має розкладатися до безпечних речовин і не накопичуватися після використання);
— аналіз у режимі реального часу, щоб запобігти забрудненню (втручання в процес моніторингу та контролю під час синтезу, щоб мінімізувати або усунути утворення побічних продуктів);
— зведення до мінімуму можливості нещасних випадків (дизайн хімічних речовин та їхніх фізичних форм (твердих, рідких чи газоподібних), щоб мінімізувати потенціал для хімічних аварій, включно з вибухами, пожежами й викидами в навколишнє середовище).
«Зелена» хімія — це майбутнє нашої планети. Передусім вона корисна для здоров'я людини. У фармації це сприятиме виготовленню ліків і впровадженню технологій, що вивчатимуть широкий спектр важливих для медицини біологічних процесів. Щодо використання каталізаторів, то потрібно усувати метали й інші токсичні домішки з ліків після завершення реакцій та застосовувати надійні. Тому нині тривають дослідження неметалічних каталізаторів для вироблення речовин із сумішами, що характеризуються потрібними хімічними та біологічними властивостями.
Створення вибіркових реакцій надає перспективу ліквідувати багато проміжних стадій, запобігати утворенню відходів та економити споживання електроенергії.

Ще одна сфера майбутніх досліджень — пристосування природних ферментів або винайдення нових, які стали б каталізаторами для проведення великомасштабних хімічних реакцій, що вимагають багато стадій та токсичних реагентів.
Зазначимо, що «зелена» хімія відкриває нові перспективи для енергонезалежності села на основі «зеленої» енергії. Сільське населення отримує такі переваги:
— зменшення залежності від ринкових цін;
— використання рослинної сировини та її відходів із значно економнішим паливом, ніж газо- й електроенергія;
— вирощування енергетичних рослин сприяє створенню нових робочих місць, а отже, зростанню добробуту, оскільки це вможливлює організацію кооперативів з виробництва «зеленої» енергії;
— ефективніше використання малородючих ґрунтів, які з часом можуть стати придатними до використання під різні сільськогосподарські культури;
— вивільнення коштів для розвитку інфраструктури об'єднаних територіальних громад (ОТГ).
В Україні виник термін «“зелений” тариф» — це спеціальний тариф, за яким держава закуповує всю електроенергію, вироблену сонячними та вітровими електростанціями. Не потрібно витрачати час і гроші на пошук клієнтів, оскільки за законом держава зобов'язана закуповувати всю електроенергію, яка виробляється. Крім того, населення отримує безоплатну енергію з доходом для себе. Це дає велику економію, розвиває підприємливість.
«Зелену» хімію називають «новим мисленням хімії», філософією сучасних хімічних досліджень. Її світоглядний орієнтир — коеволюція людини та природи, збереження біосфери. Поняття «коеволюція» (від латин. со- — з, разом та еволюція) сучасна наука використовує для позначення механізму взаємозумовлених змін елементів, складових цілісної системи, що розвивається. Справджуються передбачення В. Вернадського, висловлені на початку ХХ ст., що дослідники в майбутньому будуть частіше спеціалізуватися не на науках, а на проблемах. Провідною тенденцією ХХ ст. вважалось утворення наук «на перетині» галузей знань. У сучасній науці це втрачає актуальність, бо створюються проекти, поєднані єдиною метою та обмежені в часі. Глобальні екологічні та соціально-етичні проблеми створюють новий тип наукового знання. Саме тому «зелену» хімію розглядають як новітню хімічну філософію. Її принципи й ідеї мають стати основою підготовки нового покоління дослідників.
ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ
• «Зелена» хімія — філософія хімічних досліджень та інженерії, що закликає до створення продуктів і процесів, які дають змогу мінімізувати використання та виробництво шкідливих речовин.
• «Зелена» хімія пропонує два напрями розвитку: 1) переробка, утилізація та знищення екологічно небезпечних побічних і відпрацьованих продуктів хімічної промисловості; 2) забезпечення розробки нових промислових процесів, продукти яких не шкідливі для довкілля (навіть побічні), або зведення їхнього використання й утворення до мінімуму.

• Технології «зеленої» хімії запобігатимуть забрудненню на молекулярному рівні, застосовуючи інноваційні наукові розв'язання екологічних проблем і перешкоджаючи утворенню шкідливих речовин.
• 12 принципів «зеленої» хімії, що сформульовані та затверджені американськими хіміками П. Анастасом і Дж. Уорнером, розкривають цю концепцію.
• «Зелена» хімія відкриває нові перспективи для енергонезалежності села на основі «зеленої» енергії.
• «Зелену» хімію називають «новим мисленням хімії», філософією сучасних хімічних досліджень. Її світоглядний орієнтир — коеволюція людини та природи, збереження біосфери.
• Принципи «зеленої» хімії та закладені в концепцію ідеї мають стати основою підготовки нового покоління дослідників.
ЦІКАВО ЗНАТИ 

Українські вчені активно працюють у напрямі дослідження наноматеріалів, до яких належать фулерени, нанотрубки та нановолокна, нанопористі структури, нанодисперсії, наноплівки й нанокристалічні матеріали. Вони набувають поширення завдяки унікальним тепловим, електричним і магнітним властивостям. Науковці відділу фізико-неорганічної хімії Інституту загальної та неорганічної хімії ім. В. Вернадського HAH України розробляють технологію створення вуглецевих самозбірних наноматеріалів.

 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 виготовленняфізичних 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 зоснови 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.

• 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.