§ 29. Роль органічної хімії у розв’язуванні глобальних проблем людства

Кожного з нас упродовж усього життя оточують матеріали хімічного виробництва, завдяки яким працюють комп’ютери й мобільні телефони, рухаються автомобілі, проводять медичні обстеження й лікування, з яких виготовляють одяг, якими облаштовують житло, які підвищують врожай і зберігають його. Ми живемо в довкіллі, де відбуваються численні хімічні перетворення, що впливають на повітря, річки, ґрунти і визначають не лише їхній стан, а й стан нашого здоров’я. Вчителі та автори підручників хімії намагаються пояснити вам, як улаштований довколишній світ і як він функціонує — адже саме хімія дає відповіді на ці запитання. Саме для того, щоб розуміти внутрішню будову речовин, закони, що керують хімічними явищами в природі, в організмі, в техніці, використовувати ці знання з користю для природи, для збереження здоров’я, примноження добробуту суспільства, ви й вивчаєте хімію.

Спробуймо разом узагальнити знання про здобутки органічної хімії у різних сферах життя, обговорити деякі актуальні проблеми, що їх допомагає розв’язати ця галузь. Для цього вам треба пригадати вивчене, скориставшись у разі потреби підручником, довідником, енциклопедією, інтернет-ресурсами тощо, і поміркувати над запитаннями, які буде сформульовано нижче.

У наш час відбувається колосальне розширення й поглиблення хімічних знань. Досягнення цивілізації останніх десятиріч тісно пов’язані з успіхами органічної хімії у науковій та виробничій галузях, її вплив на науково-технічний прогрес і розвиток нехімічної сфери діяльності людини є цілком очевидним.

Мал. 64. Усе починається з лабораторії органічного синтезу

Мал. 65. Модель молекули білка міоглобіну

Наведіть власні аргументи на підтвердження або спростування цієї тези.

Простежуючи розвиток хімії, можна виявити очевидну узгодженість рівня цивілізованості практично всіх виробничих і побутових сфер та рівня хімічних знань і розвитку синтетичної хімії. Динаміка цього розвитку вражає

— показником може бути зростання кількості синтезованих сполук: 1880 р. — близько 12 тис., 1910 р. — 150 тис., 1940 р. — 500 тис. Нині ніхто не ризикне назвати точну кількість відомих речовин, бо щороку синтезують від 200 до 300 тис. лише органічних сполук. Останніх на сьогодні відомо вже понад 100 млн і до цього слід додати близько 700 тис. неорганічних сполук.

Поясніть, як ви розумієте такі висловлювання вчених-хіміків щодо багатоманітності речовин:

«Розвиток хімії показав, що різноманітність речовин у природі пояснюється не стільки різноманітністю атомів, скільки різноманітністю сполучень невеликої кількості різних атомів між собою в ансамблі» (В. Ковтуненко). «Багатоманітність сполук Карбону є дивовижним і єдиним свого роду явищем» (П. Карер).

Синтез нових сполук є найголовнішим напрямом розвитку хімії. Органічний синтез, зокрема, відіграє провідну роль не лише у створенні практично корисних речовин, а й у пізнанні складних взаємодій у біологічних системах на молекулярному рівні, що є надзвичайно важливим завданням сучасного природознавства (мал. 64).

Якщо біолог, геолог, астроном досліджують природні об’єкти, що існують у природі, то хімік-синтетик повинен спершу добути речовину, якої до цього в природі не існувало, дослідити її властивості й перетворення. Видатний французький хімік-органік XIX ст. М. Бертло зазначав: «Хімія сама створює свої об’єкти». Синтетичну хімію іноді порівнюють із мистецтвом. Інший французький хімік, наш сучасник, лауреат Нобелівської премії Ж. М. Лен висловився так: «Хімік воістину творить нові світи, які не існували, поки не вийшли, оформившись, із його рук, подібно до того, як матеріал, щойно вийшовши з рук майстра, набуває сили й виразності витвору мистецтва».

Мал. 66. Карбонові нанотрубки — основа перспективних матеріалів

Наведіть власні аргументи на підтвердження або спростування цієї тези.

Будучи яскраво самобутньою і посідаючи виняткове місце серед інших природничих наук, органічна хімія водночас тісно пов’язана з ними.

Речовина як вид матерії є об’єктом вивчення і хімії, і фізики, і біології. Фізика розглядає дискретну будову речовини, різні її стани, вплив будови на властивості, що «цікавить» також і хімію. У курсі біології вивчають біологічно активні речовини — білки, вуглеводи, жири, нуклеїнові кислоти. Їхня структурна організація є визначальною в здійсненні ними життєво важливих функцій, а пізнати структуру цих речовин можна лише на основі хімічних знань (мал. 65).

Плідність провідних ідей органічної хімії доведено розвитком усіх природничих наук, передусім біології. Вам відомо, що органічна хімія розпочиналася з дослідження речовин рослинного і тваринного походження. Завдяки цьому було з’ясовано склад і структуру багатьох біологічних субстанцій. Водночас біологічні субстанції — природні вуглеводи, що становлять основу рослинного світу, є джерелом добування штучних волокон, спиртів, багатьох інших речовин. Саме хіміки розшифрували структуру і штучно відтворили такі складні біологічні об’єкти, як жири, деякі білки, вуглеводи, вітаміни. Хімія сприяє розумінню перебігу процесів у організмах на молекулярному рівні.

Хімію біологічно активних речовин, що становлять вищий рівень речовинної форми організації матерії, порівнюють з молекулярою інформатикою, предметом якої є збереження й зчитування інформації, записаної у параметрах молекул.

Пригадайте, як передається генетична інформація, які сполуки беруть участь у цьому процесі.

Відбувається взаємопроникнення біології й органічної хімії: остання, наприклад, використовує природні ферменти як хімічні реагенти в біотехнологічних процесах. Величезна кількість біомаси рослин, накопичена на планеті, розглядається в біотехнології як перспективна сировина для добування вуглеводнів та інших органічних речовин, що є сировиною для органічного синтезу.

З хімією Карбону пов’язані й успіхи в застосуванні іншої сучасної технології — нанотехнології. Карбонові нанотрубки вже використовують на практиці завдяки їхнім особливим механічним, оптичним і напівпровідниковим властивостям, а в перспективі наносполуки можуть стати основою побудови квантових комп’ютерів (мал. 66).

Підготуйте повідомлення про досягнення біо- й нанотехнології.

Органічна хімія традиційно пов’язана з виробництвом, є першопричиною створення виробництв синтетичних барвників, лікарських засобів, харчових добавок. У свою чергу, розвиток хімічних виробництв є стимулом розвитку теоретичної хімії. Пошуки дешевої сировини для промисловості сприяли досконалому вивченню складу продуктів переробки кам’яного вугілля, серед яких було виявлено багато цінних сполук.

Вивчення речовини розпочинається з ознайомлення з її агрегатним станом за звичайних умов і фізичними властивостями, такими як колір, запах, твердість, еластичність, температури плавлення й кипіння. Для багатьох речовин визначальною щодо їхніх властивостей є міжмолекулярна (фізична) взаємодія. Сучасні методи ідентифікації речовин ґрунтуються на вивченні їхніх спектрів у різних діапазонах. Отже, фізичні знання й фізичні методи органічно входять до хімічної науки. Водночас новітні матеріали — продукти синтетичної органічної хімії — «обслуговують» різноманітні галузі фізики, електроніку, електротехніку.

Взаємне проникнення знань з фізики, хімії, біології, технологій виявляється і в методах дослідження, що їх використовують у цих галузях: ядерний магнітний резонанс, спектроскопія у видимій, ультрафіолетовій та інфрачервоній ділянках спектра, полярографія, хроматографія та ін.

Органічна хімія тісно взаємодіє з медициною, прикладом чого є створення синтетичних лікарських засобів. Протягом багатьох століть хімія була пов’язана з медициною, а нині є «серцем сучасної медицини». Ще у працях алхіміків описано способи виготовлення ліків із трав, олій, смол, воску тощо за допомогою таких операцій, як екстрагування, настоювання, розчинення, змішування, фільтрування, перегонка тощо.

У XV—XVI ст., коли завдяки географічним відкриттям значно розширилися контакти між державами і людьми, розповсюдилися й хвороби, які часто набували характеру епідемій. На боротьбу з ними спрямовувалися зусилля тогочасної медицини. Саме в XVI ст. завдяки працям Парацельса було засновано ятрохімію, що використовувала хімічні сполуки як ліки. На той час це були переважно сполуки Стибію, Арсену, Плюмбуму, Меркурію та деяких інших елементів, а також екстракти рослинного і тваринного походження. Пізніше з рослинних продуктів почали виділяти активні речовини, наприклад хінин з кори хінного дерева, морфін з опіуму.

У XIX ст. почали досліджувати фізіологічну дію синтетичних органічних сполук, серед яких було виявлено антисептичні, снодійні, анестезуючі, антипіритичні речовини. З одного боку, створення синтетичних лікарських засобів вплинуло на розвиток усієї медицини. З іншого, хімія лікарських засобів залежала від розвитку хімії кам’яного вугілля, оскільки продукти його переробки, що містяться в кам’яновугільній смолі, є сировиною для органічного синтезу. Таким чином технічні й технологічні проблеми переробки кам’яного вугілля переплелися з проблемами теоретичної і практичної хімії, фармакології, медицини.

Іншим прикладом розв’язування гуманітарної проблеми за допомогою органічної хімії є створення промисловості й застосування синтетичних барвників.

Мал. 67. Ріпак — сировина для виробництва біопалива

Пригадайте, що вам відомо про це, і поясніть, як виникнення промисловості органічного синтезу пов’язане з хімією вугілля.

Величезну кількість органічних сполук «задіяно» в розв’язуванні глобальних проблем людства: продовольчої, сировинної, енергетичної, екологічної. Саме остання пов’язується суспільною думкою зі здобутками й прорахунками хімії.

Створений руками людини світ синтетичних речовин забезпечує її потреби в повсякденному житті, але водночас стає біогеохімічним чинником глобального масштабу. Ідеться не лише про забруднення довкілля під час виробництва, транспортування і використання продуктів синтетичної хімії, а про непередбачуваність реакції природних об’єктів на вплив цих продуктів.

Наприклад, поява нових ліків призводить до формування нових резистентних (стійких) штамів мікроорганізмів.

Вплив хімії на довкілля й наше життя в цілому постійно зростає. Об’єктивно існуючи в техносфері, сучасна людина використовує штучно створені речовини і матеріали, що є продуктами хімічного виробництва. Використання цих продуктів потребує певних хімічних знань, хімічної культури, що стають чинником виживання в реальних умовах екологічних ризиків.

Розв’язуючи нагальні потреби сьогодення, людство має дбати і про наступні покоління. Наприклад, зростання виробництва продукції сільського господарства не має призводити до виснаження ґрунту; використання енергії горючих корисних копалин має супроводжуватись пошуками альтернативних видів енергії; застосування синтетичних полімерних матеріалів не може бути згубним для екосистем.

Отже, нині йдеться про такий розвиток сучасного суспільства, що не загрожував би життю і розвитку суспільства майбутнього і сприяв збереженню цінних природних ресурсів. Така модель отримала назву сталого розвитку.

Згідно з матеріалами ООН «сталий розвиток — це такий розвиток суспільства, що задовольняє потреби нинішніх поколінь і не становить загрозу можливості наступних поколінь задовольняти свої потреби». Визначено 17 цілей, що їх має досягти людство, серед них — подолання голоду, досягнення продовольчої безпеки, поліпшення якості харчування і сприяння сталому розвитку сільського господарства; забезпечення доступу до недорогих, надійних, стійких і сучасних джерел енергії; раціональне використання водних ресурсів, забезпечення санітарії; вжиття невідкладних заходів щодо боротьби зі зміною клімату та його наслідками; раціональне використання морських ресурсів, захист екосистем суші та інші.

Проаналізуйте зазначені цілі з погляду внеску органічної хімії у досягення їх.
Сталий розвиток називають керованим розвитком. Поясніть, як ви розумієте керованість розвитку з погляду виробництва і застосування продуктів органічної хімії.
Підготуйте повідомлення про вплив органічних сполук на довкілля, здоров’я людини та про засоби запобігання їх шкідливому впливу.
Людство докладає величезних зусиль до пошуку нових джерел енергії (мал. 67). Яка, на вашу думку, роль хімії у розв’язуванні цієї проблеми?

Сучасні наукові хімічні знання є підґрунтям реалістичного ставлення до навколишнього світу, в якому велике значення має взаємодія людини з різними речовинами. Істинне знання про природу речей, як у високому науковому сенсі, так і в утилітарному, дає змогу позбутися страху перед глобальними проблемами людства, розкрити шляхи запобігання їм і розв’язування, оскільки саме хімія володіє методами поліпшення екологічної ситуації, забезпечує людство матеріалами, енергією, засобами боротьби з хворобами.

Вплив хімічних знань на духовну й матеріальну культуру людства не потребує додаткової аргументації. Вивчаючи органічну хімію, ви переконалися, що ці знання використовуються в усіх наукових і технологічних галузях, уся практична діяльність людини пов’язана з використанням природних, штучних і синтетичних речовин і матеріалів, а одвічне прагнення людства до розкриття таємниці живого може здійснитися через пізнання процесів у організмах на молекулярному рівні. Усе це визначає важливу гуманістичну функцію знань з органічної хімії, їхнє місце в загальному світогляді людини, її ставленні до навколишнього світу.

Складіть короткі висновки за матеріалами цього параграфа. Висловте своє ставлення до викладених фактів і положень.
Поясніть значення хімічних знань для гармонійного життя в довкіллі, для забезпечення сталого розвитку суспільства.

Нижче наведено перелік природних і синтетичних органічних продуктів (табл. 14). Складіть завдання для однокласників за її змістом.

Таблиця 14

Природні й синтетичні органічні продукти

Органічні продукти
природні	синтетичні
Корисні копалини (нафта, природний газ, вугілля)	Пластичні маси, волокна, каучуки
Продукти рослинного походження (целюлоза, цукор, крохмаль, олії, волокна бавовни, льону, каучук)	Засоби захисту рослин Добавки до кормів для тварин Лікарські засоби Біодизель, біоетанол
Продукти планктону	Барвники Мило і мийні засоби Фотоматеріали Запашні й смакові речовини Харчові добавки

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

1. Схарактеризуйте основні хімічні продукти, які добувають із природних джерел вуглеводнів.
2. Використовуючи маркування пластмас, визначте, з яких матеріалів виготовлено деякі ужиткові речі.
3. Схарактеризуйте значення хімічних засобів захисту рослин.
4. Що вам відомо про перспективи використання органічних речовин планктону? Підготуйте доповідь, користуючись додатковими джерелами інформації.

ВІДПОВІДІ ДО ДОДАТКОВИХ ЗАВДАНЬ