Penggunaan sumber

Sebuah kota memerlukan air aman, jembatan tahan korosi, dan pupuk untuk pertanian. Bahan baku termurah tidak selalu merupakan pilihan terbaik: perawatan, masa pakai, energi, dan limbah semuanya penting. Bandingkan layanan berguna yang sama, nyatakan kondisinya, dan jelaskan kimia di balik keputusan.

Referensi ini mencakup 4.10.1.1–4.10.4.2 untuk Kimia Terpisah. Ekstraksi logam biologis alternatif dan evaluasi kesetimbangan/laju proses Haber adalah Tingkat Tinggi (HT). Soal RP8 tertulis menguji pengetahuan; analisis dan pemurnian langsung yang diawasi memerlukan catatan praktikum.

Sumber daya Bumi menyediakan kehangatan, tempat tinggal, makanan, dan transportasi. Pertanian melengkapi pasokan alami makanan, kayu, dan serat. Bulu/ kapas alami dapat dilengkapi atau digantikan oleh serat sintetis seperti poliester; produk sintetis tidak otomatis lebih berkelanjutan.

Sumber daya terbatas memiliki pasokan terbatas yang tidak tergantikan dalam skala waktu penggunaannya, seperti bijih logam atau bahan bakar fosil. Sumber daya terbarukan dapat dipulihkan dalam skala waktu yang berguna, seperti kayu yang dikelola secara berkelanjutan. Terbarukan tidak berarti tak terbatas: menebang pohon lebih cepat daripada tumbuhnya tetap mengurangi stok.

Pembangunan berkelanjutan memenuhi kebutuhan saat ini tanpa mengorbankan kemampuan generasi mendatang untuk memenuhi kebutuhan mereka. Kimia dapat meningkatkan produksi tanaman, masa pakai material, dan efisiensi industri. Evaluasi peningkatan menggunakan bukti, termasuk biaya dan limbahnya.

Perbandingan skala contoh. Stok sumber daya fiksi adalah 20 ton dan 20 000 ton. Rasionya $20\,000/20=1000=10^3$: tiga orde besaran. Periksa satuan umum terlebih dahulu. Stok besar saja tidak menjamin keberlanjutan; tingkat ekstraksi dan pemulihan juga penting.

Air minum aman untuk dikonsumsi, dengan garam terlarut dan mikroba berbahaya yang cukup rendah. Ini bukan air murni secara kimia karena mengandung zat terlarut. Air yang terlihat jernih masih mungkin mengandung garam, mikroba, atau bahan kimia terlarut.

*Filtrasi dan sterilisasi air tawar, berbeda dari desalinasi.

Di Inggris, hujan menyuplai air tawar yang terkumpul di tanah, danau, dan sungai. Pilih sumber yang sesuai, lewati air melalui filter bed untuk menghilangkan padatan tersuspensi, lalu sterilisasi menggunakan klorin, ozon, atau sinar ultraviolet. Filtrasi tidak menghilangkan semua garam terlarut; sterilisasi mengendalikan mikroba alih-alih menghilangkan garam.

Jika pasokan air tawar terbatas, desalinasi menghilangkan garam dari air laut/air asin. Distilasi mendidih air dan mengembapkan uapnya, meninggalkan sebagian besar garam terlarut. Osmosis balik menggunakan tekanan untuk mendorong air melalui membran yang sesuai sambil menahan garam. Keduanya membutuhkan energi besar: pemanasan/pengembunan atau menghasilkan tekanan. Pilih jalur berdasarkan sumber lokal, pasokan energi, dan kualitas yang dibutuhkan, bukan menganggap filtrasi biasa sebagai desalinasi.

Pengetahuan RP8. Bandingkan sampel air menggunakan pH dan pengukuran padatan terlarut, kemudian selidiki distilasi di bawah pengawasan guru. Untuk residu, ukur volume sampel yang diketahui, timbang wadah kering, uapkan air dengan aman, dinginkan, dan timbang kembali; ulangi pemanasan/dingin hingga massa konstan jika perlu. Massa residu adalah akhir dikurangi massa wadah kosong. Distilasi memerlukan pengumpulan dan pendinginan uap, bukan sekadar mengeringkan sampel. Jangan pernah minum sampel laboratorium atau berasumsi satu pengukuran menjamin keamanan.

Residu contoh. Sampel 50.0 cm³ menyisakan 0.120 g padatan. Konversi $50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}$, sehingga konsentrasi $=0.120/0.0500=2.40\ \mathrm{g/dm^3}$. Ini mengukur residu sesuai metode yang disebutkan, bukan keamanan mikroba.

Air limbah domestik dan pertanian memerlukan penghilangan materi organik dan mikroba berbahaya. Limbah industri juga dapat mengandung bahan kimia berbahaya yang memerlukan tambahan pengolahan yang sesuai. Pengolahan sebelum pelepasan lingkungan tidak otomatis menjadikan air tersebut layak minum.

Saringan menghilangkan benda besar dan penghilangan kerikil mengambil kerikil berat. Sedimentasi memisahkan sludge yang mengendap dari effluent cair. Kemudian keduanya menempuh jalur berbeda: digesti anaerob memproses sludge tanpa oksigen; pengolahan biologi aerob menggunakan oksigen untuk memproses materi organik dalam effluent. Jangan mengirim kedua produk melalui rantai seri imajiner.

*Cabang perlakuan lumpur dan effluent yang terpisah.

Untuk kondisi lokal yang sebanding, air tanah yang sesuai biasanya membutuhkan kurang pengolahan daripada air limbah; air asin memerlukan penghilangan garam yang intensif energi. Ini adalah perbandingan beralasan, bukan peringkat absolut untuk setiap sumber terkontaminasi. Periksa zat terlarut, materi organik, mikroba, dan proses yang tersedia.

Bijih tembaga terbatas dan pasokan berkadar tinggi menjadi semakin langka. Phytomining menggunakan tanaman untuk menyerap senyawa logam. Panen dan bakar tanaman; abu mereka mengandung senyawa tersebut. Pemrosesan lebih lanjut diperlukan: tanaman belum menghasilkan potongan tembaga murni.

Bioleaching menggunakan bakteri untuk menghasilkan larutan leachate yang mengandung senyawa logam. Tembaga dapat dipulihkan dari larutan yang sesuai melalui penggantian dengan besi scrap atau elektrolisis. Kedua jalur tersebut memerlukan tahap pemulihan setelah mendapatkan material yang mengandung logam.

*Ekstraksi biologi HT diikuti pemulihan tembaga.

Besi lebih reaktif daripada tembaga dan menggantinya. Jalur biologis dapat menghindari penggalian, pengangkutan, dan pembuangan dalam jumlah besar batu, namun bandingkan waktu pemrosesan, hasil, energi, penggunaan lahan, dan limbah menggunakan informasi yang disediakan. “Biologis” tidak berarti gratis, instan, atau bebas dampak.

Sebuah penilaian daur hidup (LCA) mempertimbangkan ekstraksi/pemrosesan bahan baku; pembuatan/kemasan; penggunaan/operasi; dan pembuangan pada akhir masa pakai. Sertakan transportasi dan distribusi di setiap tahap. Bandingkan layanan dan umur yang sama, seperti membawa beban belanja yang sama sejumlah kali.

Air, sumber daya, energi, dan beberapa limbah dapat dikuantifikasi dari data yang sesuai. Pengukuran dan asumsi masih memiliki ketidakpastian. Menggabungkan berbagai efek polutan menjadi satu skor memerlukan penilaian nilai; LCA bukan semata-mata objektif. Perbandingan hanya pembuangan mungkin berguna untuk tahap tersebut tetapi tidak dapat menetapkan produk terbaik seumur hidup.

Keputusan layanan setara contoh terpecahkan. Angka fiktif tas kertas untuk tugas belanja berjumlah $6+4+2=12$ unit energi. Tas plastik yang dapat digunakan kembali membutuhkan 30 unit untuk dibuat dan 1 unit per tugas untuk dibersihkan. Setelah $n$ tugas, kertas membutuhkan $12n$ dan plastik $30+n$. Kesamaan memberikan $30=11n$, sehingga $n=2.73$; opsi yang dapat digunakan kembali menggunakan energi lebih sedikit sejak tugas lengkap ketiga berdasarkan asumsi ini. Hasil energi ini juga tidak membuktikan penggunaan air yang lebih rendah, sampah, atau setiap efek polutan. Catat setiap kategori dan tingkat penggunaan ulang yang sebenarnya.

Mengurangi penggunaan material dapat menurunkan ekstraksi, pemrosesan, dan limbah. Menggunakan kembali seluruh botol kaca setelah pengumpulan dan pencucian menghindari pembuatan ulang; mendaur ulang menghancurkan dan mencairkan ulang kaca menjadi produk lain. Logam dapat dilelehkan dan dicetak ulang atau dibentuk kembali. Beberapa baja scrap dapat ditambahkan ke besi dari tungku tanur, mengurangi jumlah yang diekstraksi dari bijih.

Persyaratan pemisahan bergantung pada sifat akhir yang diinginkan. Bahan campuran dan kontaminasi mungkin memerlukan lebih banyak penyortiran; pengumpulan, transportasi, pencucian, dan pencairan ulang tetap menggunakan sumber daya. Dapat didaur ulang menggambarkan kemungkinan jalur, bukan bukti bahwa pengumpulan dan pemrosesan benar-benar terjadi. Bandingkan beban tersebut dengan pertambangan/pembongkaran dan pemrosesan yang dihindari menggunakan data yang disediakan.

Transfer. Jika daur ulang batch tertentu menggunakan 8 MJ tetapi produksi baru menggunakan 50 MJ untuk material dan kualitas yang sama, penghematan yang disediakan adalah $50-8=42$ MJ, atau $42/50\times100=84\%$. Periksa apakah pengumpulan sudah termasuk sebelum menggunakan angka tersebut dalam klaim.

Korosi menghancurkan material melalui reaksi kimia dengan lingkungannya. Besi berkarat hanya ketika air dan oksigen tersedia. Dalam perbandingan, udara lembap biasa memungkinkan karat; udara kering kekurangan air; air mendidih yang ditutup minyak membatasi masuknya oksigen. Jaga sampel besi dan kondisi paparan agar dapat dibandingkan. Satu paku lembap tanpa kontrol tidak dapat menunjukkan bahwa kedua zat tersebut diperlukan.

*Kontrol air dan oksigen untuk perkaratan besi.

Cat, gemuk, dan pelapisan elektro yang sesuai membentuk penghalang. Goresan dapat mengekspos besi terhadap oksigen dan air. Galvanisasi seng menambahkan pelindung pengorbanan: seng lebih reaktif daripada besi dan teroksidasi secara preferensial, sehingga besi di dekatnya dapat tetap terlindungi di area goresan selama kontak seng yang sesuai tetap ada. Pelapisan yang kurang reaktif tidak dapat memberikan perlindungan yang sama. Lapisan oksida tipis yang melekat pada aluminium melindungi permukaannya; ini bukan bukti bahwa aluminium tidak pernah bereaksi.

Sebagian besar logam sehari-hari adalah paduan. Ukuran atom yang berbeda dapat mengganggu lapisan logam teratur dan membuat gesekan lebih sulit; jangan mengklaim setiap paduan memiliki sifat yang identik.

Kekayaan emas diukur dalam karat: 24 karat ialah emas tulen, dan 18 karat ialah $18/24=75\%$ emas mengikut jisim. Sepinggan 12 g kemudian mengandungi $12\times18/24=9$ g emas dan 3 g logam lain. Untuk aloi yang tidak dikenali, gunakan data komposisi/sifat yang dibekalkan bukannya meneka dari namanya.

Kaca soda-kalsium dibuat dengan memanaskan pasir, natrium karbonat dan batu kapur. Kaca borosilikat menggunakan pasir dan boron trioksida serta melebur pada suhu lebih tinggi. Seramik liat, seperti bata dan seramik hiasan, dibuat dengan membentuk liat lembap dan memanaskannya dalam perapian. Kekerasan, kerapuhan dan ketahanan haba mempengaruhi tugas masing-masing.

Polietilena berketumpatan rendah dan berketumpatan tinggi keduanya berasal dari etena. Keadaan pengeluaran yang berbeza menghasilkan struktur rantai yang berbeza: percabangan menyukarkan penyusunan rapat dalam bahan LD; rantai HD yang lebih lurus menyusun lebih rapat. Monomer yang sama tidak memaksakan ketumpatan atau kelenturan yang sama.

Polimer termolembut mempunyai rantai berasingan tanpa rangkaian silang yang dipertimbangkan di sini. Pemanasan membolehkan rantai bergerak melintasi satu sama lain apabila daya antara molekul dikalahkan, jadi ia melunak/melebur dan boleh dicetak semula. Peleburan tidak memerlukan pemutusan tulang belakang kovalen rantai. Polimer termoset mempunyai ikatan silang kovalen yang menyambungkan rantai menjadi jaringan; ia tidak melebur apabila dipanaskan, dan pemanasan yang cukup kuat boleh menguraikannya. Oleh itu, peleburan semula bukan litar daur ulang yang sesuai untuk jaringan tersebut.

*Rantai polimer terpisah dan jaringan silang kovalen.

Komposit mempunyai matriks/pengikat yang mengelilingi dan mengikat penyokong gentian atau serpihan. Contohnya termasuk gentian kaca dalam resin, gentian karbon dalam resin polimer, dan konkrit dengan agregat dalam pengikat berasaskan simen. "Gentian karbon" sahaja tidak mengenal pasti kedua-dua komponen. Pilih bahan berdasarkan gabungan kekuatan, ketumpatan, kelenturan, ketahanan suhu dan kos yang diperlukan, menggunakan data kuantitatif jika dibekalkan.

Proses Haber menghasilkan amonia untuk baja nitrogen. Nitrogen datang dari udara; hidrogen boleh diperolehi daripada gas asli yang direaksikan dengan wap. Gas yang dimurnikan melalui besi pada kira-kira 450 °C dan kira-kira 200 atmosfera.

*Kondisi Haber, penghilangan amonia, dan loop daur ulang terhubung.

Reaksi adalah boleh balik. Menyejukkan campuran mencairkan amonia untuk penyingkiran; nitrogen dan hidrogen yang belum bereaksi kembali ke reaktor. Pengitaran semula meningkatkan penggunaan bahan mentah, tetapi tidak membuktikan tiada sisa atau tiada keperluan tenaga. Langkah-langkah proses ini diperlukan di kedua-dua peringkat.

Penalaran HT. Reaksi maju adalah eksotermik, jadi suhu lebih rendah menyokong hasil keseimbangan amonia tetapi melambatkan reaksi. Suhu lebih tinggi menaikkan kadar tetapi mengurangkan hasil keseimbangan. Tekanan lebih tinggi menyokong amonia kerana empat molekul gas reaktan menjadi dua molekul produk, tetapi peralatan kuat dan pemampatan memerlukan wang dan tenaga. Keadaan industri mengimbangi kadar, hasil dan kos; mereka bukan keadaan untuk hasil keseimbangan maksimum yang mungkin. Besi mempercepatkan kedua-dua arah dan pendekatan kepada keseimbangan tanpa mengubah posisinya.

Semakan kerja contoh. Dengan 2 mol nitrogen dan 6 mol hidrogen, maksimum teori ialah 4 mol amonia jika semua reaktan bertukar. Jika hanya 1 mol nitrogen bereaksi dalam satu laluan, 3 mol hidrogen bereaksi dan 2 mol amonia terbentuk; 1 mol nitrogen dan 3 mol hidrogen tinggal untuk pengitaran semula. Penyelesaian per-laluan tidak sama dengan penyelesaian keseluruhan selepas pengitaran berulang.

Baja NPK adalah formulasi garam yang menyediakan nitrogen, fosforus dan kalium untuk pertumbuhan tumbuhan. Amonia boleh membuat garam ammonium dan asid nitrat. Sebagai contoh, amonia menetralkan asid nitrat:

Kalium klorida, kalium sulfat dan batuan fosfat diperoleh melalui penambangan. Batuan fosfat tidak langsung cocok sebagai pupuk; perlakuan mengubahnya menjadi garam larut yang dapat digunakan. Ingat produk-produk ini:

Pupuk fosfat dalam superfosfat tunggal/tiga kali lipat adalah kalsium dihidrogen fosfat. Jangan menandai setiap perlakuan asam hanya sebagai “superfosfat”, dan jangan mencampuradukkan asam fosfat dengan sumber kalium.

Untuk garam yang sama, bandingkan jalur laboratorium dan industri menggunakan informasi yang disediakan. Netralisasi/pengendapan titrasi laboratorium yang hati-hati diikuti dengan penguapan dan kristalisasi dapat menghasilkan padatan murni: titrasi tidak secara inheren menghasilkan produk yang tidak murni. Industri dapat mengintegrasikan produksi amonia/asam, mengendalikan output skala besar secara berkelanjutan, dan memulihkan panas, sementara memerlukan peralatan, energi, dan pengelolaan emisi. Jelaskan trade-off yang sebenarnya; “industri selalu lebih baik” bukanlah sebuah evaluasi.

Sebuah sekolah menginginkan air minum, wadah yang dapat digunakan kembali, dan pupuk. Jelaskan mengapa penyaringan saja tidak dapat mendesalinasi air laut, mengapa produk yang dapat digunakan kembali memerlukan LCA (Analisis Siklus Hidup) layanan setara, dan mengapa pembuatan pupuk tetap mengonsumsi sumber daya meskipun gas Haber didaur ulang. Kemudian cat semprot yang tergores dibandingkan seng yang tergores pada besi. Nyatakan data atau kondisi yang hilang untuk setiap keputusan alih-alih mengklaim satu opsi memecahkan semua masalah.