§ 37. Роль хімії в розв’язанні продовольчої, сировинної, енергетичної, екологічної проблем

Глобальна продовольча проблема полягає в недостатньому забезпеченні певної частини населення Землі продовольством. Її вияви характерні передусім у найбідніших країнах третього світу.

• Назвіть причини виникнення глобальної продовольчої проблеми.

Видатний фізіолог І. П. Павлов зазначав, що «взаємини організму з навколишньою природою – це взаємини, опосередковані питаннями харчування». Нестача продовольства та його низька якість негативно впливають на здоров’я людей, якість робочої сили та продуктивність, тобто перешкоджають економічному розвитку. Це також спричиняє соціальну й політичну напруженість і конфлікти як у регіонах, що потерпають від продовольчих проблем, так і у глобальному світі.

Як досягнення хімії можуть сприяти розв’язанню продовольчої проблеми? Хімічна промисловість постачає виробників сільськогосподарської продукції ефективними добривами (пригадайте, які добрива називають мінеральними). Застосування добрив дає змогу збільшити врожайність і поліпшити якість продукції рослинництва. У результаті застосування їх підвищується стійкість рослин проти хвороб, рослини ефективніше використовують вологу, пришвидшується дозрівання врожаю тощо. Щоб підвищити ступінь використання азотних добрив, уживають заходи для зменшення їхньої розчинності. Покриття гранул добрив тонкою плівкою із незначною проникністю подовжує термін їхньої дії у ґрунті, зменшує здатність до злежування та гігроскопічність, уможливлює транспортування насипом. Використання органо-мінеральних добрив, які виготовляють на органічній основі (гній, послід, тверді побутові відходи, рештки деревини та опалого листя, торф тощо) добавлянням до неї мінеральної речовини, унесення їх у ґрунт поліпшує баланс та умови живлення рослин. Нові види органо-мінеральних добрив створюють утилізацією твердих побутових відходів з великим умістом органічних речовини – харчових відходів, залишків паперу, тканини, деревини тощо.

Для вирощування й збереження врожаю велике значення має захист рослин і продукції рослинного походження від шкідливих організмів за допомогою хімічних засобів (рис. 37.1).

Рис. 37.1. Стабільне виробництво сільськогосподарських культур можливе лише за використання інноваційних і високоякісних засобів захисту рослин

Сучасні засоби захисту рослин мають відповідати одночасно низці критеріїв, якими є ефективність, безпечність для довкілля та здоров’я людей, доступність за ціною для сільгоспвиробників, сталість за фізико-хімічними параметрами. Зберігання препарату не має потребувати надто особливих умов, а застосування – призводити до швидкого звикання до нього в цільових організмів (бур’янів, хвороботворних бактерій, вірусів, грибів, шкідників). Регулятори росту, які стимулюють або гальмують ріст і розвиток рослин, також є продуктами хімічної промисловості.

Хімізація тваринництва – це комплекс заходів, що сприяють підвищенню якості кормів та продуктивності тварин. Ідеться про виробництво хімічних консервантів (наведіть приклади) і стабілізаторів кормів, кормових дріжджів і мікробіологічного білка, використання сечовини та інших кормових добавок, застосування стимуляторів росту тварин. Хімічне консервування зелених кормів забезпечує збереження поживних речовин, пригнічує розвиток гнильних і маслянокислих бактерій, запобігає небажаним ферментативним процесам.

Зберігання харчової продукції також ґрунтується на досягненнях хімії. Зокрема, людство здавна використовує консерванти для збільшення терміну зберігання харчових продуктів (наведіть приклади). Пластикові харчові контейнери, пакети, плівка та інша тара також допомагають зберегти якість харчових продуктів. Сучасні пакувальні матеріали (наведіть приклади) вирізняються високими споживчими властивостями. Збільшенню терміну придатності продуктів сприяє їхнє упаковування в газомодифікованому середовищі. Завдяки правильно добраній суміші газів (кисень, аргон, азот, вуглекислий газ) упаковані в такий спосіб продукти зберігають мікрофлору, а термін зберігання збільшується без утрати смакових, корисних якостей, товарного вигляду й навіть без використання спеціальних добавок і консервантів.

Глобальна сировинно-енергетична проблема полягає в необхідності забезпечення потреб людства в сировинних та енергетичних ресурсах. Причина цього полягає передусім у тому, що природна сировина, зокрема й паливні ресурси, здебільшого є вичерпними. Щоб розв’язати проблему нестачі сировини, потрібно використовувати її комплексно, створювати безвідходні виробництва, рециркулювати й регенерувати, використовувати промислові й побутові відходи для вироблення корисної продукції. Усі ці процеси тісно пов’язані з хімічними перетвореннями (наведіть приклади).

Поширенішою стає практика використання різних контейнерів для попереднього сортування сміття (рис. 37.2) (наведіть приклади найбільш придатних для багаторазової переробки побутових відходів).

Рис. 37.2. Як правильно сортувати сміття

Цікаво і пізнавально

Вуглецеві аерогелі, ультралегкі та струмопровідні, цікаві як потенційний матеріал для електродів суперконденсаторів, що застосовують в електромобілях і побутовій електроніці, проте методи їхнього добування досить складні. У Китаї розроблено новий спосіб отримання таких аерогелей з відновлюваної сировини – нанофібрил целюлози. Продуктивність розробки виявилася майже такою самою, як у комерційно доступних електродів 1

1 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29687551

Новітні хімічні матеріали та технології мають велике значення для розв’язування енергетичної проблеми (рис. 37.3). Наприклад, новий сонячний фотогальванічний елемент з органічних речовин здатний конвертувати в електричну енергію 17,3 % сонячного світла, що потрапляє на нього. Колишній рекорд сонячних батарей становив 14 %. 2 Розроблено літій-іонні акумулятори, які не втрачають продуктивності за температури -70 °С. У перспективі такі акумулятори зможуть поліпшити роботу смартфонів і електромобілів узимку, а також бути корисними для техніки, експлуатованої на великих висотах, або для апаратів, які досліджують поверхню небесних тіл Сонячної системи – планет і їхніх супутників. 3

2 http://science.sciencemag.org/content/early/2018/08/08/science.aat2612

3 https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(18)30045-X

Рис. 37.3. Найбільше у світі судно на сонячних батареях PlanetSolar

У Китаї розроблено елегантне рішення, що дає змогу перетворити іржаві залізні вироби на ідеальні електроди для калій-іонних джерел живлення. Особливість методу полягає в тому, що іржу не видаляють, а перетворюють на сітчасту структуру, здатну накопичувати катіони Калію. Електропровідність і стабільність нових електродів під час повторюваних циклів «зарядка / розрядка» забезпечує покриття з графену.

Ці та інші розробки свідчать про величезне значення хімії в розв’язуванні глобальних проблем людства – продовольчої, сировинної, енергетичної.

Цікаво і пізнавально

Марія Телькеш (1900-1995) – угорсько-американська вчена й винахідниця. Фахівчиня в галузі технологій у сонячній енергетиці. Є одним з творців сонячних систем зберігання тепла, завдяки чому дістала прізвисько «Королева Сонця» (рис. 37.4).

ПРО ГОЛОВНЕ

• Продовольча, сировинна та енергетична проблеми є глобальними проблемами людства.

• Матеріали, створені хімічною промисловістю, та хімічні технології використовують для розв’язування глобальних проблем людства.

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. Складіть перелік простих щоденних дій, які сприятимуть розв’язанню продовольчої, сировинної та енергетичної проблем.

Творча майстерня

• 3. Підготуйте повідомлення про представника чи представницю вітчизняної хімічної спільноти, які зробили вагомий унесок у розв’язування продовольчої, сировинної та енергетичної проблем.

§ 45. РОЛЬ ХІМІЇ В РОЗВ’ЯЗАННІ ЕКОЛОГІЧНОЇ ПРОБЛЕМИ

Екологічні проблеми людства. Розвиток цивілізації та науково-технічного прогресу спричинили зростання кількості населення на Землі. Відповідно збільшилися обсяги виробництв для задоволення дедалі більших потреб у використанні продуктів харчування, енергетичних ресурсів, сировини. Збільшився обсяг відходів в атмосфері й у стічних водах; побутовими відходами засмічені великі площі, які могли б використовувати як сільськогосподарські угіддя.

У 1990-х роках міжнародна спільнота була серйозно стурбована проблемами довкілля. Основними визнано такі: 1) глобальне потепління клімату; 2) виснаження озонового шару; 3) накопичення в ґрунті токсичних металів і пестицидів; 4) кислотні дощі; 5) виснаження природних ресурсів планети; 6) забруднення великих територій радіонуклідами.

Стало очевидним, що внаслідок господарської діяльності людини в природі порушилася динамічна рівновага, яка підтримувалася колообігами речовин, що вплинуло на зміну хімічного складу навколишнього середовища.

Незаперечним є той факт, що розвиток хімічної промисловості спричинив проблеми, що розглядаються як глобальні.

Чинники забруднення довкілля. Їх поділяють на природні й антропогенні.

До природних чинників належать виникнення землетрусів, виверження вулканів, стихійні лиха, космічний пил, продукти вивітрювання гірських порід і ґрунтів. Однак найбільше забруднює навколишнє середовище людина. Бездумне споживацьке ставлення до природних багатств упродовж тисячоліть призвело до знищення цілих ареалів лісових рослин, жорстокого винищення тварин, спустошення родючих земель і вирубування лісів. Усе це впливає на економіку та політику, моральний стан і здоров’я людини.

Чинниками антропогенного забруднення навколишнього середовища стала виробнича діяльність людини (рис. 77).

Рис. 77. Схема забруднення довкілля

Унаслідок антропогенного впливу відбувається зміна клімату, з’являються різні захворювання, зокрема канцерогенні, голодує та вимирає населення.

Розв’язанням цих проблем займається екологія — наука, яка вивчає відносини та взаємодію живих організмів між собою та з навколишнім середовищем.

Шляхи розв’язання проблеми. Зважаючи на проблеми, що виникли, у 1992 р. у Ріо-де-Жанейро відбулася міжнародна конференція країн-членів ООН. На цій конференції вироблено рекомендації, що взяті за основу розвитку світової спільноти, — Концепцію сталого розвитку. Сталий розвиток декларує такий підхід до життя, коли інтереси суспільства скеровуються на встановлення балансу між задоволенням сучасних потреб людства та захистом інтересів майбутніх поколінь, зокрема їхню потребу в безпечному та здоровому довкіллі. Нині сталий розвиток розглядають як такий, що забезпечує потреби теперішнього покоління задовольнити власні потреби. Концепція базувалася на трьох складових: економічній, соціальній та екологічній. Ці складові взаємопов’язані та стосуються розв’язання однієї проблеми: зберегти людство від екологічної катастрофи.

Екологічна складова полягає в забезпеченні цілісності біологічних і фізичних природних систем, збереженні здатності екосистем до самовідновлення та динамічної адаптації; запобіганні деградації природних ресурсів, забрудненню навколишнього середовища та втраті біологічного розмаїття.

Зверніть увагу! Порівняно з викидами ТЕЦ, кольоровою металургією та транспортом, хімічна промисловість завдає менше шкоди довкіллю. Проте спостерігаються викиди в атмосферу шкідливих газів, які не використовують як вторинну сировину; надмірне застосування природних сировинних ресурсів; створення синтетичних полімерів, які не розкладаються й забруднюють навколишнє середовище.

Хімія має великий потенціал, що сприяє розв’язанню екологічних проблем, оскільки багато з них є наслідком хімічних виробництв. Однак хімічні знання — це той капітал, на якому ґрунтується охорона природи та її багатств.

Знаючи склад, будову та властивості речовин, можна передбачити їхній вплив на атмосферу, водні ресурси, ґрунти й рослинний та тваринний світ. Хімічна наука займається пошуком нових джерел відновлювальної енергетики та швидкого їх упровадження. Завдяки використанню хіміко-аналітичних методів контролю в довкіллі та якості хімічної продукції, стає відомою інформація про запобігання негативним впливам шкідливих речовин на довкілля. Учені-хіміки розробили методи очищення води та природних водойм, використання очисних споруд, відстійників з метою повторного використання газів і води. Проводиться велика робота з пошуку нових джерел енергії для автотранспорту й техніки, які не забруднювали б довкілля вихлопними газами та важкими металами. Хімія посідає почесне місце в такій нелегкій роботі, як дезактивація шкідливих речовин військової справи та радіоактивних відходів, їхнього безпечного схову.

І це не весь перелік тих проблем щодо збереження довкілля. Так, зовсім недавно доведено негативний вплив електромагнітних полів на біосферу.

Хімія пропонує нові способи переробки промислових і побутових відходів з їхнім подальшим використанням, зокрема шлаків, деревини, паперу тощо. Завдяки заміні природних матеріалів безпечними хімічними змінюється ставлення до використання невідновлювальних енергоджерел, тобто зменшується використання в хімічній промисловості нафти та газу, кам’яного вугілля, а отже, ці природні багатства будуть збережені для майбутніх поколінь.

Глобальні проблеми людства стосуються й України. Після аварії на Чорнобильській АЕС в 1986 р. виникла проблема радіаційного забруднення та загроза викидів на інших атомних станціях. На жаль, ще й тепер відбувається розклад радіаційних речовин, що залишилися під саркофагом. Існує проблема питної води, оскільки запаси прісної води вичерпуються, а використання води річок та інших водойм ускладнюється через відсутність належного очищення та недостатність водогонів і зношуваність уже наявних.

Безжально й неконтрольовано вирубуються ліси, що призводить до зникнення ареалів рослинного та тваринного світу, порушення структури ґрунтів. Через негосподарське ставлення до землі відбувається її забруднення надлишком мінеральних добрив і пестицидами. Свій внесок роблять природні процеси: солонцювання, ерозія, виснаження ґрунтів. Відсутня державна політика з утилізації відходів, а тому відбувається їхнє накопичення на відкритих сміттєзвалищах, що теж є джерелом екологічного лиха. Доведено, що промислові відходи займають майже 200 тис. гектарів землі. У багатьох містах, де зосереджені хімічні виробництва, за відсутності очисних споруд концентрація шкідливих речовин у повітрі перевищує гранично допустимі норми. Це шкодить здоров’ю людей та спричиняє важкі захворювання.

Зважаючи на зазначене, звернемося до свідомості кожної людини, кожного громадянина України. Бережіть природу та її багатства, виробляйте власне відповідальне ставлення за стан довкілля та збереження його рівноваги. Природа, як і людина, є живим організмом, який потребує ощадливого ставлення, грамотної поведінки з нею та дотримання етичних норм співжиття.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Основними проблемами довкілля визнано: 1) глобальне потепління клімату; 2) виснаження озонового шару; 3) накопичення в ґрунті токсичних металів і пестицидів; 4) кислотні дощі; 5) виснаження природних ресурсів планети; 6) забруднення великих територій радіонуклідами.

• Екологія — наука, яка вивчає відносини та взаємодію живих організмів між собою та з навколишнім середовищем.

• Концепція сталого розвитку містить три складові: економічну, соціальну й екологічну, які взаємопов’язані та стосуються розв’язання проблеми збереження людства від екологічної катастрофи.

• Антропогенне забруднення навколишнього середовища спричинила виробнича діяльність людини.

• Потенціал хімії в розв’язанні екологічних проблем полягає в: знаннях складу, будови та властивостей речовин для передбачення їхнього впливу на довкілля; пошуку нових джерел відновлювальної енергетики; використанні хіміко-аналітичних методів контролю в довкіллі та якості хімічної продукції; розробці методів очищення води та природних водойм; пошуку альтернативних джерел енергії для автотранспорту й техніки; дезактивації шкідливих речовин військової справи та радіоактивних відходів, їхнього безпечного схову.

• Екологічні проблеми України стосуються: радіаційного забруднення; нестачі питної води; неконтрольованого вирубування лісів; забруднення шкідливими речовинами сільськогосподарських угідь; відсутності державної політики з утилізації відходів; відсутності очисних споруд на хімічних виробництвах.

• Природа, як і людина, є живим організмом, який потребує ощадливого ставлення, грамотної поведінки з нею та дотримання етичних норм співжиття.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Назвіть чинники, що спричиняють зміни в довкіллі.
• 2. Охарактеризуйте природні й антропогенні чинники впливу на зміни в навколишньому середовищі.
• 3. Охарактеризуйте екологічні проблеми: а) людства; б) України.
• 4. Поясніть роль хімії в розв’язанні екологічної проблеми.
• 5. Складіть рівняння реакцій, що відображають утворення кислотних дощів та їхній вплив на довкілля.
• 6. Ферум(ІІ) сульфід масою 17,6 кг повністю прореагував з киснем. Обчисліть об’єм сульфур(IV) оксиду (н. у.), що виділиться в атмосферу за відсутності очисних споруд.
• 7. Для збільшення врожайності в теплиці подають карбон(IV) оксид з балонів. Поясніть, з якою метою це роблять. Обчисліть масу органічної речовини, що утвориться, і який об’єм кисню виділиться, якщо рослинами поглинуто 67,2 м 3 карбон(IV) оксиду.
• 8. Під час спалювання вугілля на ТЕЦ у повітря викидається сульфур(IV) оксид масою 2,1 т. Обчисліть масу сульфатної кислоти, яку можна добути із сульфур(IV) оксиду, що викидається в атмосферу впродовж доби.

ЦІКАВО ЗНАТИ

• В атмосфері нашої планети накопичується дедалі більше вуглекислого газу. Він утримує тепло, спричиняючи зміни клімату. Для розв’язання проблеми глобального потепління вчені шукають способи обмеження викидів. Одні говорять про обмеження використання шкідливих газів, інші намагаються зменшити об’єм шкідливих викидів.

• Група канадських дослідників з Університету Трента запропонувала використовувати для цього поглинальну властивість гірських порід, зокрема магнезит та інші карбонати. Доведено, що один кілометр гірської породи може вміщувати мільярд тонн вуглекислого газу. Оскільки природний спосіб утворення магнезиту є тривалим, учені запропонували лабораторний спосіб добування магнезиту — протягом 72 днів за кімнатної температури.