Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Ярошенко

Тема 5

ХІМІЯ І ПРОГРЕС ЛЮДСТВА

Вивчивши цю тему, ви збагатите свою компетентність з хімії знаннями про:

• роль хімії у створенні нових матеріалів;
• розвиток нових напрямків технологій;
• внесок хімії у розв’язання продовольчої, сировинної, енергетичної, екологічної проблем.
• зелену хімію;
• сучасні завдання перед хімічною наукою та хімічною технологією.

У процесі вивчення теми формуватимуться:

• ваша громадянська позиція щодо впливу діяльності людини на довкілля та охорону його від забруднень.

У процесі вивчення теми формуватимуться й удосконалюватимуться ваші предметні уміння:

• наводити приклади застосування хімічних сполук у різних галузях та у повсякденному житті;
• оцінювати значення хімії у створенні нових матеріалів, розвитку нових напрямків технологій, розв’язанні продовольчої, сировинної, енергетичної, екологічної проблем;
• розглядати та тлумачити причинно-наслідкові зв’язки у природі, цінність і цілісність природи;
• висловлювати судження про значення хімічних знань як складника загальної культури людини; вплив діяльності людини на довкілля та охорону його від забруднень

§ 37. Роль хімії у створенні нових матеріалів, розвитку нових напрямків технологій

Хімічна наука постійно розвивається в теоретичному плані, а досягнення хімічної технології й органічного синтезу використовуються в найрізноманітніших сферах людської діяльності. Підтвердження цього — її успіхи в розв'язанні сировинної, енергетичної, продовольчої проблем, створенні нових матеріалів.

У 10 класі ви дізналися про досягнення хімії в синтезі органічних речовин і матеріалів на їх основі. Інформаційна довідка допоможе вам пригадати отримані раніше знання.

Інформаційна довідка

• Синтетичні органічні речовини — загальна назва органічних сполук, утворених поза живими системами.

• Полімери — високомолекулярні сполуки, макромолекули яких складаються із багатьох структурних ланок, що послідовно зв'язані між собою хімічними зв'язками.

• Пластмаси — матеріали на основі насичених полімерів, які здатні за нагрівання набувати заданої форми та зберігати її після охолодження.

ХІМІЧНІ ДОСЯГНЕННЯ У ХХ СТОЛІТТІ. Для багатьох країн світу й України ХХ ст. ознаменувалося створенням низки науково-дослідних інститутів і наукових центрів, що здійснюють цілеспрямовані дослідження властивостей і створення речовин і матеріалів. З них шляхом хімічних реакцій добувають низькомолекулярні речовини, які є мономерами у виробництві розглянутих в інформаційній довідці та багатьох інших речовин. Окрім синтезу пластмас і каучуків, учені досягли успіхів у синтезі хімічних волокон, вітамінів, добрив, сплавів, спиртів, кислот, мийних засобів, лакофарбових матеріалів та багатьох інших речовин і матеріалів (мал. 91).

Мал. 91. Вироби побутового призначення, створені з нових матеріалів

Видатними досягненнями хімічної науки і хімічної технології ХХ ст. стали: синтез високомолекулярних речовин, заміна у багатьох виробництвах натуральної сировини на вуглеводневу, синтез і розроблення технології виробництва ліків, засобів захисту рослин, вітамінів, створення нових сплавів і матеріалів із наперед заданими властивостями.

НАПРЯМКИ ДОСЛІДЖЕНЬ СУЧАСНОЇ ХІМІЇ. Кінець ХХ і початок ХХІ ст. увінчались новітніми відкриттями, про які тривалий час люди лише мріяли. Це стосується: нових речовин, матеріалів, джерел струму, синтезу нових, відсутніх у природі, хімічних елементів і речовин; розвитку нового напрямку хімічної науки — квантової хімії; дослідження наноструктур, застосування нанотехнологій, синтезу фулеренів і нанотрубок; розвитку хімічної медицини; отримання нових нанокаталізаторів і вивчення механізму каталітичних реакцій на нанокристалах; комп'ютерного моделювання молекул і хімічних реакцій тощо.

Комп'ютерне моделювання молекул і хімічних реакцій (молекулярний дизайн) — це галузь знань, що сформувалася на стику теоретичної фізики, прикладної обчислювальної математики та хімії і стосується будови й основних властивостей молекул і реакцій між ними. Комп'ютерне моделювання дає змогу зрозуміти, як влаштований мікросвіт на молекулярному рівні.

Відтак, комп'ютер стає звичним інструментом хімічних досліджень й університети України у ХХІ ст. розпочали підготовку фахівців з хемоінформатики.

Сучасні досягнення хімії, фізики, біології дали можливість перейти від макродосліджень до досліджень на атомному рівні, завдяки чому з'явилися нанотехнології. Перехід від «макро» до «нанодосліджень» — це якісно нове спрямування наукових досліджень.

Нанотехнологія — міждисциплінарна наукова галузь, що вивчає закономірності фізичних і хімічних систем розмірами декількох нанометрів або часток нанометра.

Нанохімія досліджує синтез нанодисперсних кристалів і матеріалів, регулювання хімічних перетворень тіл нанометричних розмірів, запобігання хімічній деградації наноструктур, внутрішньомолекулярні перегрупування атомів під механічним, електричним або магнітним впливами тощо.

ДОСЯГНЕННЯ ВІТЧИЗНЯНИХ УЧЕНИХ У РОЗВИТКУ НОВИХ НАПРЯМКІВ ТЕХНОЛОГІЙ. 100-річчя Національної академії наук України (заснована у 1918 р., першим її президентом був всесвітньо відомий вчений В. І. Вернадський) вітчизняні хіміки й технологи відзначили новітніми технологічними розробками, багато з яких не мають вітчизняних і зарубіжних аналогів. З окремими прикладами новітніх досягнень наукових установ НАН України ознайомлює таблиця 14.

Таблиця 14

Наукова установа НАН України	Технологічна розробка	Призначення, переваги
Інститут біоорганічної хімії та нафтохімії	Гібридні гнучкі плівкові композитні матеріали для електростатичного й електромагнітного захисту	Матеріали призначені для захисту навколишнього середовища, електронного обладнання, персоналу й інформації від електромагнітних полів і статичної електрики. Не мають вітчизняних аналогів
Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича	Вуглецево-волокнистий наноструктурний матеріал медичного призначення	Матеріал може буди використаний у медичних клініках як сорбент у разі токсичних отруєнь, фільтр для очищення крові та лімфи, антибактеріальна аплікація при лікуванні ран та опіків, протирадіонуклідний препарат, цільовий носій лікарських препаратів. Порівняно зі світовими аналогами розробка дає можливість проводити вибіркову сорбцію і цільове функціональне лікування понад 40 захворювань
Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича	Важкозаймиста базальтоволокняна тара для транспортування та довготривалого зберігання	Тара може бути використана для зберігання: кабелів, боєприпасів, вибухових речовин та амуніції, приладів і систем керування на пожежо- та вибухонебезпечному виробництві. Фізико-механічні та експлуатаційні характеристики розробки кращі за світові аналоги
Інститут хімії високомолекулярних сполук	Безрозчинний полімерний зв'язник для термостійких вуглепластиків	Придатний до використання в авіації, ракетній техніці, мікроелектроніці, автомобіле- та кораблебудуванні. Не має аналогів в Україні. Фізико-механічні характеристики відповідають рівню кращих західних аналогів
Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського	Дисперсні та пористі матеріали різного функціонального призначення на основі силіцій карбіду	Створення сорбентів, каталізаторів для високотемпературних та високоекзотермічних реакцій, адсорбентів водню, матеріалів для оборонної промисловості та електроніки. Порівняно з аналогами розробка має вищі структурно-сорбційні характеристики
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського	Електрохімічний метод нанесення покрить суперсплавами Со-Мо і Co-W	Суперсплави кобальту з молібденом і вольфрамом мають високу корозійну стійкість, твердість, магнітні і каталітичні властивості, стійкість до зносу, що важливо для використання в мікроелектромеханічних системах
Інститут хімії високомолекулярних сполук	Епоксифенольні лаки та емалі з бактерицидними властивостями	Призначені для захисних покриттів виробів у машинобудуванні, медицині та харчовій промисловості. Порівняно з відомими аналогами забезпечують протимікробний і протикорозійний захист поверхонь
Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича	Керамічні біоматеріали	Можуть бути застосовані в ортопедії, травматології, онкології, офтальмології та стоматології для відновлення кісткової тканини. Порошки біоактивної кераміки придатні до мікроплазмового напилення, що утворює покриття з антибактеріальними властивостями на металевих імплантах. Мають високу біосумісність із кістковою тканиною
Інститут хімії високомолекулярних сполук	Поліфункціональні поліуретанові матеріали (ППМ) для з'єднання та покриття поверхонь різного типу	Призначені для надійного з'єднання різноманітних матеріалів і захисту поверхонь різного типу (метал, бетон, цегла, деревина) від руйнування під дією біотичних і техногенних деструктурувальних чинників. Немає вітчизняних аналогів
Інститут хімії високомолекулярних сполук	Термоеластопласти з шинної гуми та відходів поліолефінів	Призначені для використання в автомобільній промисловості як гідравлічні покриття, будівництві для покриття підлог, як ущільнювальні та з'єднувальні елементи
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського	Феромагнітні наночастинки для гіпертермії	Призначені для використання як індуктори магнітної наногіпертермії для контрольованого локального нагрівання злоякісних пухлин. У результаті введення магнітної рідини (дисперсії феромагнітних наночастинок) ріст глибоко розташованих злоякісних пухлин зупиняється

Як ви зрозуміли, щоб здійснювати сучасні хімічні дослідження й отримувати результати світового рівня, вченим і хімікам-технологам необхідна ґрунтовна спеціальна підготовка. В Україні її здійснюють багато закладів вищої освіти, зокрема Національний університет «Львівська політехніка», який готує майбутніх фахівців хімічних спеціальностей ще з 1872 р. Зараз в Інституті хімії та хімічних технологій цього університету вищу освіту здобувають майбутні фахівці з: хімічних технологій органічних речовин; хімічної технології палива та вуглецевих матеріалів; хімічних технологій неорганічних речовин; технічної електрохімії; хімічної технології високомолекулярних сполук; хімічних технологій переробки полімерних і композиційних матеріалів; хімічних технологій тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів; хімічних технологій харчових добавок і косметичних засобів; комп'ютерної хімічної інженерії; технології продуктів бродіння і виноробства; технології фармацевтичних препаратів; фармацевтичної біотехнології.

У Київському національному університеті імені Тараса Шевченка у 2009 р. створено Інститут високих технологій для підготовки науковців нового покоління. Тут учать розв'язувати проблеми сучасних природничих наук, проводити наукові дослідження, для здійснення яких необхідні фундаментальні міждисциплінарні знання, творче мислення, уміння працювати на найсучаснішому дослідницькому та технологічному обладнанні.

Працюємо з медійними джерелами

1. Відділення хімії НАН України налічує дванадцять науково-дослідних інститутів. Дізнайтеся, дослідження яких галузей хімічної науки здійснюється в них, яких успіхів було досягнуто за роки існування наукової установи та незалежності України, з іменами яких відомих учених пов'язана діяльність конкретного інституту.

2. Історія науки сповнена іменами видатних хімікинь — учених, які на рівні з чоловіками самовіддано розвивали хімічну науку й хімічну технологію. На знак поваги до їхньої праці 11 лютого визнано Міжнародним днем жінок і дівчат у науці.

Користуючись різними інформаційними джерелами, зберіть і поширте інформацію про жінок, які зробили вагомий вклад у розвиток хімічної науки, серед однокласників й однокласниць, учнів інших класів або підготуйте дайджест.

Сторінка ерудита

Наукові досягнення біохімії, генетики, молекулярної біології та хімічної технології стали підґрунтям для розвитку біотехнології.

Біотехнологія — сукупність промислових способів добування корисних продуктів із використанням живих організмів і біохімічних процесів, сучасний напрямок у синтезі органічних сполук.

Сам термін «біотехнологія» з'явився в 70-х роках XX ст. (bios — життя, techne — мистецтво, майстерність, logos — слово, вчення), хоча біотехнологічні процеси людина здійснювала давно — випікала хліб, займалася виноробством, виготовленням сиру, інших молочних продуктів тощо. Нині на основі відходів промислової переробки вуглеводнів нафти, природного газу, деревини тощо за допомогою мікроорганізмів біотехнологічна промисловість виробляє такі цінні продукти, як кормові білки, антибіотики, ферменти, гормони, амінокислоти, вітаміни, бактеріальні добрива, засоби захисту рослин, метанол, органічні кислоти (етанову, лимонну, молочну) та багато іншої продукції.

Порівняно з традиційним органічним синтезом біохімічні процеси відбуваються у природних умовах — без використання високих температур і тиску. Висока продуктивність мікроорганізмів дає можливість здійснювати технологічні процеси безперервно. Окрім того, добута продукція не токсична для людини і тварин. Ці та багато інших факторів сприяють стрімкому розвитку біотехнологічної промисловості.

Біотехнологія дає можливість одержувати цінну продукцію, сприяє розв'язанню екологічних проблем шляхом переробки сільськогосподарських, промислових і побутових відходів.

Знаємо, розуміємо

• 1. Наведіть приклади синтетичних високомолекулярних речовин та основні галузі їх застосування.
• 2. Які нові технології створюють і використовують у хімічних дослідженнях?
• 3. Що вам відомо про досягнення сучасних вітчизняних учених-хіміків, їхній внесок у створення нових матеріалів?

Застосовуємо

• 1. Складіть схеми рівнянь реакцій полімеризації з одержання наведених в інформаційній довідці полімерів. За однією з них обчисліть масу практично добутого полімеру, якщо відносний вихід дорівнює 92 %. Розрахунки проведіть для 1 т мономера.