Хімія. Рівень стандарту. 10 клас. Лашевська

§ 36. Роль органічної хімії в розв’язуванні продовольчої проблеми, створенні нових матеріалів

Після опрацювання параграфа ви зможете:

  • усвідомити роль органічної хімії в розв’язуванні продовольчої проблеми та створенні нових матеріалів;
  • обґрунтовувати значення органічних речовин у створенні нових матеріалів;
  • робити висновки щодо важливості знань про органічні сполуки.

Продовольча проблема - одна з найдавніших глобальних проблем людства (рис. 36.1). Вона зумовлена різними причинами і полягає в нестачі харчових продуктів, що призводить до недоїдання та голоду поміж найменш забезпечених груп населення планети.

Рис. 36.1. Голод лютий усякого може торкнути1. 1. Пам’ятник жертвам Великого голоду в Ірландії (1845-1849), спровокованого фітофторозом картоплі. 2. Голодомор 1932-1933 і 1946, 1947 років - геноцид українського народу, організований керівництвом ВКП(б) та урядом СРСР унаслідок створення штучного масового голоду. Скульптурна композиція «Гірка пам’ять дитинства» нагадує про трагічну долю найвразливішої категорії жертв Голодомору - дітей

1 Українське прислів’я.

Незважаючи на підвищення якості врожаю за рахунок трансгенних рослин і загального рівня сільськогосподарського виробництва, проблема нестачі продовольства залишається актуальною. Поміж умов, за яких можливе зростання виробництва продовольства, - інтенсифікація сільського господарства на вже освоєних землях, зокрема внесення добрив, меліорація ґрунтів, захист від хвороб і шкідників, регулювання росту рослин і тварин та багато іншого.

Для сприяння збільшенню виробництва продовольства у світі сучасна органічна хімія має широкі можливості. Адже її продукти стають основою речовин, матеріалів, технологій, використовуваних для підвищення врожайності, збільшення продуктивності в тваринництві, захисту рослин і тварин від захворювань і шкідників, запобігання псуванню харчових продуктів.

Наприклад, цілорічне вирощування городини в теплицях набуло масового характеру ще й тому, що є зручні синтетичні полімерні матеріали для їхнього будівництва - поліетиленова і поліпропіленова плівки, полікарбонат. Зокрема, створено полімерну плівку, здатну перетворювати короткохвильове ультрафіолетове випромінювання на довгохвильове червоне. У результаті інтенсифікується фотосинтез, пришвидшується дозрівання, підвищується врожайність (рис. 36.2).

Рис. 36.2. 1. Полікарбонат (в) - поліестер карбонатної кислоти (а) і бісфенолу А (б). 2. Теплиця з полікарбонату - економний і практичний варіант для дачників

У меліоративних роботах стають у пригоді пластикові труби і шланги для поливу, особливо для краплинного зрошення, перфоровані пластмасові труби для дренажу. Неабиякого значення набуває використання геотекстилю - матеріалу на основі поліпропілену або поліестеру. Геоматеріали в сільському господарстві виконують функцію дренажних конструкцій, запобігають замулюванню ґрунту внаслідок зайвої зволоженості, захищають його від вивітрювання і пересушування. Геотекстиль обмежує ріст коренів рослин, запобігає появі бур’янів, стійкий до механічних пошкоджень, захищає ґрунт від ерозії. Протиградові та затінювальні сітки для саду - потрібна умова для отримання якісного врожаю. їх виготовляють переважно з поліетилену високої густини. Гідрофільні полімерні матеріали - гідрогелі - використовують для втримання вологи в ґрунті та в гідропоніці1.

1 Від давньогрец. ύδωρ — вода і εσόνος — робота — спосіб вирощування рослин без ґрунту на поживних розчинах.

Компости (від лат. compositus - складний) - органічні добрива, одержувані в результаті розкладання різних органічних речовин під упливом діяльності мікроорганізмів. Перетворення відходів на компост ґрунтується на хімічних реакціях.

Засоби захисту рослин - також переважно органічні речовини. Здавна для боротьби зі шкідниками використовували настої лушпиння цибулі, картопляного бадилля, махорки, чистотілу, блекоти чорної, стручкового перцю тощо. Адже вони містили органічні речовини - ефірні олії, глікозиди, алкалоїди, сапоніни, фітонциди та інші сполуки, які «не до смаку» шкідникам (рис. 36.3).

Рис. 36.3. Природні піретроїди (піретрини) містяться у квітках піретруму - далматської ромашки (1), аналогами піретринів є синтетичні піретроїди. Їх використовують як інсектициди для боротьби зі шкідниками плодових і городніх культур, шкідниками запасів продовольства в побуті, для оброблення сільськогосподарських тварин проти паразитів (2)

З курсу хімії основної школи ви вже знаєте, що ДДТ, синтезований 1848 року, - ефективний пестицид і водночас стійкий органічний забруднювач (поясніть цей термін). Порівняно з ним сучасні пестициди - продукти органічного синтезу - менш шкідливі для довкілля. Проте вважати, що без масового використання пестицидів розв’язати продовольчу проблему неможливо, щонайменше недалекоглядно. Адже 2017 року Хілал Елвер, спеціальна доповідачка ООН з питання про право на харчування, констатувала: «Використання більшої кількості пестицидів не має нічого спільного з позбавленням від голоду. За даними Продовольчої та сільськогосподарської організації ООН (ФАО), нині ми можемо нагодувати 9 мільярдів чоловік. Виробництво невпинно зростає, але проблема полягає в бідності, нерівності та розподілі».

Цікаво і пізнавально

У США 2017 року створили засіб захисту рослин нового принципу дії під назвою КропКоат (рис. 36.4). Після розбризкування препарат не проникає в листки, не діє на патогенні організми, а створює суцільну плівку мікроскопічної товщини. Плівка нетоксична, вона зміцнює поверхню рослини, включно із листками, стеблом, плодами та насінням. У такий спосіб підвищується стійкість рослини до шкідників та хвороб, знижується потреба в пестицидах.

Рис. 36.4. CropCoat

Важливо не лише виростити й зібрати врожай, а й зберегти його. Свіжозібрані фрукти та овочі вкривають їстівним воском, щоб запобігти втраті споживчих якостей під час транспортування, зберігання та продажу, для запобігання появи цвілі та поліпшення зовнішнього вигляду. Щоб їжа зберігалася довше, використовують консерванти, поміж яких є органічні речовини. Це оцтова, яблучна, лимонна, молочна кислоти, дифеніл тощо. Полімерні упаковки для харчових продуктів подовжують термін їхнього зберігання.

У тваринництві також використовують продукти органічного синтезу. Використання кормової сечовини (карбаміду CO(NH2)2) у годівлі корів - поширена практика, яка дає змогу забезпечити оптимальну роботу рубця тварини, у якому відбувається синтез білка мікроорганізмами. Багато ветеринарних препаратів також містять органічні речовини.

Виробництво штучної їжі, яке також пов’язане з використанням органічних речовин і хімічними перетвореннями, із сенсації поступово перетворюється на буденність (дізнайтеся більше про це з додаткових джерел інформації). Проте значення органічної хімії не обмежене лише сприянням розв’язанню глобальних проблем людства.

Нові матеріали - один з найважливіших напрямів, що визначають розвиток усіх галузей промисловості, будівництва, медицини та сфери послуг. Якщо матеріали є щаблями в розвитку нашої цивілізації, то нові матеріали - трамплін для стрибка в майбутнє, який змінює наше буття. Пересвідчімось у цьому на прикладі новітніх матеріалів на основі органічних речовин.

Створення нових матеріалів на основі органічних речовин - важливе завдання, що стоїть перед дослідниками і дослідницями, у тому числі українськими. Цільовою програмою наукових досліджень НАН України передбачено синтез нових функціональних органічних речовин. На їхній основі заплановано створення матеріалів та композитів, зокрема нанокомпозитів і композитів з двовимірними структурами (плівок). Це має задовольнити потреби сучасної нано- та мікроелектроніки, електротехніки тощо.

Цікаво і пізнавально

Композиційні матеріали (композити) - багатокомпонентні матеріали, що складаються зазвичай з пластичної основи, армованої наповнювачами, що мають високу міцність, жорсткість тощо. Поєднання різнорідних речовин веде до створення нового матеріалу, властивості якого кількісно і якісно відрізняються від властивостей кожного з його складників. Багато в чому композити перевершують традиційні матеріали і сплави за своїми механічними властивостями. Використання композитів зазвичай дає змогу зменшити масу конструкції.

Braeön — чи не найміцніший з легких або чи не найлегший з міцних матеріалів на землі. Це композит, виготовлений з надміцного термопластичного волокна з низькотемпературною активованою термопластичною полімерною основою. Стрічка з нього, складена вдвоє, витримує максимальний натяг у 900 кг, при цьому маса стрічки 30 метрів завдовжки становить лише 500 грамів. Щоб з’єднати розірвані ланки ланцюга, потрібно зробити петлю з Braeön, але не зав’язувати вузол, а нагріти місце з’єднання до 60 °С. Наприклад, запальничкою. Кінці стрічки сплавляться, і, після того як кільце охолоне, його буде практично неможливо розірвати (рис. 36.5).

Рис. 36.5. Braeön: не слабка ланка!

Якщо нагріти матеріал, він розм’якшиться, і сполучну ланку легко буде розімкнути. Пластини з Braeön, нагріті теплим повітрям або водою, набувають будь-якої форми, що дає змогу застосовувати їх у різних ситуаціях.

• 1. Запропонуйте, з огляду на властивості цього матеріалу, його застосування в різних виробничих галузях і побуті. 2. Дізнайтеся з додаткових джерел інформації, що таке Qmonos. Чи є він продуктом органічного синтезу?

Органічна електроніка - одна з найпопулярніших областей матеріалознавства. Ідеться про дослідження електропровідних полімерів, олігомерів та інших органічних сполук, здатних замінити звичні провідники і напівпровідники в сучасній електроніці. Матеріали органічної електроніки можуть бути біосумісними, прозорими і гнучкими (рис. 36.6). Їх можна використовувати для створення органічних сонячних батарей, світловипромінювальних діодів (OLED) або транзисторів. Органічна електроніка може стати містком між сучасними комп’ютерами та живими істотами.

Рис. 36.6. Гнучкий дисплей - це реально

Пластик, здатний розм’якшуватися у воді та тверднути внаслідок висихання, створено в Університеті штату Пенсильванія (США)1. За прототип було взято особливості будови зубів у кальмарів різних видів. У цих головоногих молюсків розташовані по колу зуби можуть ставати як твердими, так і пластичними залежно від наявності води. Добутий біосинтезом штучний білок, подібний до природного, перетворили на пластик, змішавши його з розчинником.

1 Sariola, V. et al. Segmented molecular design of self-healing proteinaceous materials. Sci. Rep. 5, 13482; doi: 10.1038/srep13482 (2015).

Розрізаний навпіл експериментальний зразок з’єднали докупи за допомогою краплі води. Характеристики зразка не змінилися, найоптимальнішою для самовідновлення пластика виявилась температура води близько 45 °С.

Функціональні барвники. Пофарбовані ними тканини та інші матеріали можуть змінювати колір унаслідок деформування, під дією світла, тепла і води подібно до хамелеонів (поміркуйте, для чого можуть бути використані такі матеріали). Так, Британською компанією The Unseen створено фарбу для волосся, здатну змінювати колір залежно від температури навколишнього середовища. В її основі лежать термохромні пігменти.

Цікаво і пізнавально

В Інституті інтелектуальних систем суспільства Макса Планка, університетах Кіото й Огайо створили нанорозмірні «ножиці», здатні оборотно відкриватися й закриватися під дією світла. Сама форма частинок була задана методами ДНК-орігамі, а можливість перемикання під дією світла стала наслідком вбудовування в структуру ДНК фотохромних молекул азобензену. Створені нанопристрої - перший приклад наноплазмонних систем, повністю керованих світлом.

Звісно, ми розглянули лише малу частку новітніх матеріалів, створених завдяки копіткій праці фахівців і фахівчинь у галузі органічної хімії. Однак укотре пересвідчилися в слушності вислову видатного французького хіміка Марселена Бертло: «Хімія створила свій предмет. Ця творча здатність, подібна мистецтву, докорінно відрізняє хімію від інших природничих і гуманітарних наук». Тож ще неодноразово впродовж життя діставатимемо нові підтвердження цього, дивуватимемось новим матеріалам на основі органічних речовин.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Здобутки в галузі органічної хімії сприяють розв’язанню продовольчої проблеми.

• Створення нових матеріалів - важливе завдання органічної хімії.

• Знання про органічні сполуки потрібні кожній людині, щоб правильно використовувати їх у повсякденному житті та професійній діяльності.

Перевірте себе

1. У чому полягає продовольча проблема? 2. Як органічна хімія сприяє розв’язанню продовольчої проблеми? 3. Яка роль органічної хімії у створенні нових матеріалів? 4. Чому важливо знати властивості органічних речовин?

Застосуйте свої знання й уміння

5. Поясніть, які властивості органічних речовин, про які йшлося в параграфі, зумовили їхнє застосування для сприяння розв’язанню продовольчої проблеми, а які - обмежують їхнє застосування із цією метою. 6. Механохромні матеріали змінюють забарвлення внаслідок деформації. Поміркуйте, як такі матеріали можна використати в: а) харчовій промисловості; б) авіаперевезеннях. 7. Зміст параграфа не може охопити всі аспекти, пов’язані з роллю органічної хімії у розв’язанні продовольчої проблеми та створенні нових матеріалів. Про що ще, на вашу думку, потрібно було б розповісти? Зробіть це, скориставшись додатковими джерелами інформації. 8. Створення нових матеріалів зумовить виникнення нових професій і зникнення деяких теперішніх. Пофантазуйте, яких саме. Поясніть свої прогнози.

Творча майстерня

9. Складіть ментальну карту за змістом параграфа.

Дізнайтеся більше

  • https://www.youtube.com/watch?v=Uj7v_SvmnmY
  • https://www.youtube.com/watch?v=QKnZ0B-MTQM
  • https://www.youtube.com/watch?v=UNmkDnGNbVY
  • https://www.youtube.com/watch?v=jbzRC2JFmCE
  • https://www.youtube.com/watch?v=bltduYkCRns
  • https://www.youtube.com/watch?v=1Lzr0IxdxEg
  • https://www.youtube.com/watch?v=h3dcAlhnqtU