Хімія й екологія

У живій і неживій природі безупинно йдуть різні фізичні, хімічні, біологічні процеси, які в більшості випадків взаємозалежні й перебувають у хиткій рівновазі; спостерігається так званий круговорот хімічних елементів і речовин, наприклад кисню, води, оксиду вуглецю(ГУ) і ін.

Діяльність людини внесла зміни в природний круговорот елементів і речовин. В XX столітті у зв'язку з науково-технічним прогресом особливо підсилився вплив людини на природу, що викликало різні негативні зміни в навколишнім середовищі: отруєння й забруднення прісних вод, забруднення Світового океану й земної атмосфери, спустошення надр, винищування тварин і птахів аж до зникнення багатьох біологічних видів і ін. У зв'язку із цим особливого значення набуває екологія як наукова основа раціонального природокористування й охорони живих організмів, у тому числі й людини.

Екологія - це наука про відносини організмів між собою й з навколишнім середовищем.

Існує думка, що основна шкода навколишньому середовищу наносить хімія, хімічні виробництва. Це не зовсім так. Головними забруднювачами є теплоелектростанції, кольорова металургія, транспорт. Наприклад, в атмосферу щорічно викидається 100 млн т оксиду cepbi(IV) SO2. Більше половини цієї кількості доводиться на частку теплоэлект-

ростанций, четверта частина - на частку кольорової металургії й лише кілька відсотків - на частку чорної металургії й основний химической промисловості. Те ж саме можна сказати про викиди оксидів азоту й оксиду вуглецю(1В), про тверді пилоподібні викиди й канцерогенні мікроелементи.

Хімічна промисловість поряд з нафтохімією в дійсності відповідальна за появу в атмосфері аміаку, сірководню, хлоридів і фторидов, формальдегіду, нафталіну, стиролу, толуолу, метанолу, азотної, фосфорної, оцтової й синильної кислот.

У цей час у хімічній промисловості використають різні фільтри, пылегазоуловители, які значно зменшують викид шкідливих речовин в атмосферу. Уловлюють і оксид сірки(1В) SO2, що входить до складу випалювальних газів, а потім направляють його для одержання сірчаної кислоти. На жаль, оксид сірки(1В) ТЭЦ поки ще не вловлюється. Біля ТЭЦ скапливаются величезні кількості золи й шлаків, що займають більші земельні площі. Хіміки розробили методи їхньої утилізації, наприклад виготовлення будівельних матеріалів - цементу, цегли, плитки.

Взагалі господарська діяльність людини залишає в природі більші кількості різних забруднювачів. Так, при виробництві чавуну величезні земельні площі займають шлаки. Тепер їх частково переробляють на шлакобетон, шлаковату, що використається в якості гарного теплоізоляційного матеріалу замість азбесту. Мелені шлаки застосовують для дорожніх покриттів, а фосфошлак - як фосфорне добриво. Все це дає великий економічний ефект, оскільки заощаджує природну сировину й енергію на його переробку.

Синтетичні полімери на відміну від природних не розкладаються ферментами й залишаються в природі. Коли ж їх після вживання спалюють, то тим самим тільки збільшують забруднення повітря. Перед хіміками коштує завдання розробки способів утилізації синтетичних матеріалів і створення нових полімерів, які б розкладалися в природі.

1 Дуже гостро коштує питання про раціональне використання води й неприпустимості забруднення водойм. При цьому враховується, що прісна вода становить усього лише близько 2,5 % від загальної її кількості на Землі. Кардинальне рішення проблеми полягає в створенні замкнутих (безстічних) технологічних систем, коли використана вода очищається й знову вертається у виробництво.

Для України, де розвиток виробництва й урбанізація значно розширили витрату води, це особливо важливо. Загальний об'єм водоспоживання з урахуванням втрат в Україні досяг 30 км у рік, що становить 60 % усього стоку її рік. Уже зараз відчувається недолік води в Донбасі, Криворіжжі, Приазов'ї, Кримі.

У цей час в Україні багато зроблено по захисту вод від забруднення. На багатьох заводах побудовані очисні спорудження (мал. 23), нейтралізатори, відстійник^-відстійники-ставки-відстійники з повторним використанням води, установки біохімічного очищення промислових стоків (Криворізький коксохімічний завод) і ін. (мал. 24).

Конституція України встановлює, що в інтересах сьогодення й майбутнього поколінь в Україні приймаються необхідні міри для охорони й науково обґрунтованого рацио-

I 21. МІСЦЕ ХІМІЇ СЕРЕД НАУК ПРО ПРИРОДУ,

ЇЇ ЗНАЧЕННЯ ДЛЯ РОЗУМІННЯ

НАУКОВОЇ КАРТИНИ МИРУ

Розрізняють три основні науки про природу - фізику, хімію, біологію, предметом вивчення яких є матерія, тобто увесь матеріальний світ з усім розмаїтістю його існування й перетворень.

Матерія існує в просторі й часі й перебуває в безперервному русі. Форми руху матерії дуже різноманітні. Вони взаємно зв'язані й можуть переходити друг у друга.

Кожна природнича наука вивчає конкретну форму руху матерії. Фізика вивчає механічний рух - переміщення мас у просторі, що являє собою найпростішу форму руху, а також фізичні процеси - електромагнітні, гравітаційні, ядерні, які пов'язані з механічним рухом, але не зводяться до нього.

Хімія вивчає хімічну форму руху матерії - хімічні реакції. Вони містять у собі фізичну форму руху, наприклад перехід електронів від атомів одних елементів до атомів інших елементів, і супроводжуються фізичними процесами (поглинанням або виділенням теплоти, світла, електроенергії та ін.). Однак хімічні процеси не зводяться до фізичних форм руху.

Предметом вивчення біології є органічна форма руху матерії (життя), що неможливе без механічних, хімічної форм руху, але не вичерпується ними, а являє собою якісно нову, що відрізняється від попередніх, форму руху матерії.

Наведена класифікація (і співпідпорядкованість) форм руху носить об'єктивний характер, оскільки відбиває об'єктивний розвиток матерії від простого до складного, від нижчих форм до вищого. Разом з тим вона є й класифікацією наук, які ці форми вивчають. Відповідно до цим

хімія серед наук про природу займає місце між фізикою й біологією.

Хімічні знання в значній мірі формуються на основі фізичних і, у свою чергу, є основою для формування біологічних знань. У сукупності ці взаємозалежні види знань дають можливість зрозуміти сучасну наукову картину миру.

Наукова картина миру - це цілісна система подань про загальні властивості й закономірності природи.

Вона виникає внаслідок узагальнення й синтезу основних естественнонаучных понять і принципів. Оскільки науку в загальному розумінні утворить система взаємодіючих між собою галузей знань, наукова картина миру утвориться в результаті синтезу знань, отриманих з різних наук. Отже,

наукова картина миру є вищою формою узагальнення й систематизації знань про об'єктивну реальність.

У цьому значенні її називають загальною науковою картиною миру - вона включає подання як про природу, так і про життя суспільства.

Вивчення хімії за допомогою знань про речовини, їхній сполуці, будові, властивостях, застосуванні, про хімічні реакції й закономірності їхнього протікання, ролі хімії в синтезі нових матеріалів і т.д. дає можливість зрозуміти наукову картину хімічної реальності, так звану хімічну картину миру. Вона являє собою лише фрагмент, частина матеріального світу, але без її неможливо одержати цілісне подання про загальну наукову картину миру.

Вивчаючи хімію, ви помітили, що багато подань про речовини і їхні перетворення в міру розвитку пізнання й практики змінювалися. Так, атомно-молекулярне навчання, основні положення якого були розроблені в середині XVIII в. М. В. Ломоносовим і Дж. Дальтоном, мало величезне значення для твердження наукового погляду на картину миру. Однак з розвитком науки виявилося, що не всі ве-

щества складаються з молекул, у багатьох речовин іон атомна будова. На основі нових наукових погляді ческая картина миру змінилася, стала більше соверше

Перші синтези органічних речовин з неорганічних, які завдали нищівного удару по віталістичному навчанню й довели єдність неорганічної й органічної природи, також привели до зміни поглядів на наукову картину миру.

Наступним важливим кроком у розвитку поглядів на речовину була розробка А. М. Бутлеровим структурної теорії, а згодом і відкриття Д. И. Менделєєвим періодичного закону й створення періодичної системи хімічних елементів. У результаті природу стали представляти як комплекс взаємозалежних предметів і явищ, які перебувають у безперервному русі, змінюються, розвиваються.

Успіхи природознавства у вивченні явища радіоактивності й складності будови атомів дозволили вирішувати питання про штучне одержання, цілеспрямоване перетворення хімічних елементів і вивільненні при цьому внутрішньоатомній енергії. Цим знову були внесені зміни в наукову картину миру. Вона стала ще більш зробленої.

Людина усе глибше й глибше проникає в таємниці мікро- і макросвіту. У зв'язку з останніми науковими відкриттями виникає ряд проблем, рішення яких, на думку вчених, може викликати створення нових теорій, що також внесе певні зміни в наукову картину миру. Все це свідчить про матеріальність миру, розмаїтості форм руху матерії, її пізнаванності й невичерпності.

Завдання для самоконтролю

123. Яке місце займає хімія серед наук про природу? Дайте обґрунтовану відповідь.

124. Який зміст вкладається в поняття «наукова картина миру»?

125. Як ви поясните вираження «наукова картина хімічної реальності»? Яке значення має ця картина для розуміння обший наукової картини миру?

Розділ III УЗАГАЛЬНЕННЯ ЗНАНЬ ЗА КУРСОМ ХІМІЇ

§ 22. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ХІМІЇ

Ви знаєте, що хімія вивчає хімічні елементи і їхні сполуки, хімічні перетворення різних сполук і ті закономірності, які цими перетвореннями управляють. Отже, одним з найважливіших понять у хімії є поняття про хімічний елемент.

Хімічним елементом називається тип атомів, що мають однаковий заряд ядра, дорівнює протонному числу (порядковому номеру) елемента.

Сьогодні відомо вже 112 хімічних елементів. Їх класифікують по-різному, залежно від того, який ознака кладе в основу класифікації (схема 2).

Кожний елемент має свій символ - знак хімічного елемента. Наявність хімічної абетки дозволяє відбивати сполука речовин за допомогою хімічних формул.

<§ Що таке хімічна формула й що вона показує? Покажіть на конкретному прикладі.

Зрозуміло, що, крім хімічного елемента, речовина також є одним з основних об'єктів хімії. І це справедливо, оскільки з речовин складаються всі навколишні нас тіла. Наприклад, краплі дощу, іній на гілках, туман над рікою - все це тіла, що складаються з того самого речовини - води.

Речовина досить повно визначається трьома ознаками: 1) займає частину простору; 2) має масу спокою; 3) побудовано із часток за рахунок сил притягання й відштовхування.

Хімія вивчає головним чином речовини, що складаються з атомів, молекул, іонів, радикалів.

· Дайте визначення поняттям «атом», молекула», «іон», «радикал». Приведіть відповідні приклади.

Взаємне притягання й відштовхування часток, з яких складається дана речовина, визначає його агрегатний стан.

· У яких агрегатних состояних можуть перебувати речовини залежно від зовнішніх умов?

· Як ви думаєте, до яких явищ - фізичн або хімічним - ставиться перехід речовини з одного агрегатного стану в інше? Відповідь мотивуйте. Урахуйте, що цей перехід не супроводжується зміною сполуки речовини, але обов'язково пов'язаний з більшою або меншою зміною його структури.

У філософському змісті

речовина - це вид матерії, що володіє масою спокою.

У хімії ж поняття про речовину трохи обмежено, оскільки воно охоплює тільки хімічну форму матерії. Із цього погляду

речовина - це певна сукупність часток (атомних, молекулярних, іонних), що перебуває в пкфом із трьох агрегатних станів.

У цей час відомо понад дванадцять мільйонів речовин, і цей список чи ледве не щодня поповнюється. Відповідно до сучасних подань про хімічний зв'язок всі речовини є хімічними сполуками, оскільки містять хімічно зв'язані між собою атоми елементів: якщо це атоми одного елемента - прості речовини, якщо декількох елементів - складні. Так, воду можна розкласти на водень Н2 і кисень ПРО2, а молекули- Н2 і ПРО2, у свою чергу,- на атоми водню Н и кисню О. Отже, речовини прийнято розділяти на проста й складні (схема 3).

· Дайте визначення й приведіть приклади простих і складних речовин, користуючись схемою 3.

Прості речовини являють собою форми існування елементів у вільному виді. Деяким елементам відповідає кілька простих речовин (аллотропных форм), які можуть розрізнятися як по сполуці, наприклад кисень ПРО2 і озон ПРО3 для елемента кисню, так і по будові кристалічної решітки, наприклад алмаз, графіт, карбин для елемента вуглецю.

Кожній речовині властив набір специфічних властивостей - об'єктивних характеристик, які визначають індивідуальність конкретної речовини й тим самим дозволяють відрізнити його від всіх інших речовин.

Властивості речовин визначаються їхньою сполукою й будовою, тобто характером зв'язків, що виникли між атомами, і їхнім просторовим розташуванням.

· У вигляді яких аллотропных форм існує елемент фосфор? Розкрийте залежність між сполукою, будовою й властивостями його аллотропных форм.

· Напишіть структурні формули бутану й ізобутану й поясните, що загального й чим ці ізомери відрізняються друг від друга.

Властивості речовин істотно змінюються залежно від присутніх домішок. Тому для чистих речовин уведене поняття «хімічний індивід», що означає, що складається тільки з атомів (молекул, іонів) певного виду. Одержання абсолютно чистих речовин, мабуть, практично неможливо, хоча в цей час використають методи, що знижують зміст домішок до декількох атомів на 10 -10 атомів основного елемента.

Складні речовини також класифікують по певних ознаках. Згадаємо, приміром, на які класи діляться неорганічні речовини (схема 4).

· Розглянете схему 4. Дайте визначення кожному класу неорганічних речовин і приведіть відповідні приклади.

· Які класи органічних речовин ви знаєте? Укажіть формулу й назву характерного представника кожного класу.

При впливі на речовини зовнішніх умов у них відбуваються різні процеси. Залежно від зміни речовини, аж до утворення нової речовини, ці процеси можна розділити на кілька видів.

Фізичні процеси (плавлення, нагрівання, випар, охолодження, конденсація й ін.), змінюючи фізичні властивості речовини, не змінюють будови атомів або молекул, з яких складається дана речовина, і не приводять до зміни хімічних властивостей, до утворення нової речовини.

Хімічні процеси змінюють будову атомів і молекул, з яких складаються реагуючі речовини, і в результаті утворяться нові речовини з новими хімічними й фізичними властивостями. Хімічні процеси - це і є хімічні реакції. Їх можна зображувати за допомогою хімічних рівнянь.

· Як ви думаєте, які зовнішні зміни є самими характерними ознаками протікання хімічної реакції?

Фізико-хімічні процеси (наприклад, розчинення) є проміжними між фізичними й химичес-

кими процесами. Вони, як правило, не викликають радикальних змін хімічних властивостей реагуючих речовин.

Ядерні процеси пов'язані з перебудовою атомів, з яких складається речовина, і це спричиняє зміну фізичних і хімічних властивостей речовини. При цьому змінюється протонне число (порядковий номер) цих атомів у періодичній системі. Наприклад:

Завдання для самоконтролю

126. Що вивчає хімія? Дайте визначення хімії як науки.

127. Що така речовина у філософському й у науково-хімічному розумінні?

128. Що вам відомо про властивості речовин? Чим вони визначаються?

129. Дайте визначення хімічного елемента й, користуючись періодичною системою, поясните, на які групи елементи діляться й чому цей розподіл умовно.

130. Напишіть формулу оцтової кислоти й поясните, що вона показує.

131. Як можна класифікувати процеси, що відбуваються з речовинами? Які зміни відбуваються з речовинами в результаті того або іншого процесу?

132*. Напишіть рівняння наступних ядерних реакцій:::

133*. Нуклід літій-6 застосовується для одержання тритію. Реакцію проводять у ядерному реакторі шляхом бомбардування повільними нейтронами. Напишіть рівняння цієї ядерної реакції.

134*. Напишіть структурні формули цис- і транс-томеров бутена-2 СН,-СН=СН-СН3 і поясните, що загального й чим ці просторові ізомери відрізняються друг від друга.