資源の利用

ある町は安全な水、腐食に強い橋、農場用の肥料を必要としている。最も安価な原料が自動的に最善の選択ではない：処理、寿命、エネルギー消費、廃棄物などが重要である。同じ有用なサービスを比較し、条件を明記し、決定背后的な化学原理を説明せよ。

この参照資料はSeparate Chemistryについて4.10.1.1–4.10.4.2をカバーする。代替生物金属抽出法および Haber合成法の平衡/速度評価は Higher tier (HT) である。RP8筆記問題は知識を評価する；実際の監督下での分析と精製には実習記録が必要である。

地球のリソースは暖かさ、住居、食料、輸送を提供する。農業は自然供給の食料、木材、繊維を補足する。天然ウール/綿はポリエステルなどの合成繊維によって補足または代替可能被る；合成製品が自動的により持続可能であるとは限らない。

有限資源は、使用期間内には再生されない限られた供給量を持つものであり、金属鉱石や化石燃料などがある。再生可能資源は有用な時間スケール内で補充されるものであり、持続可能な管理された木材などがある。再生可能であっても無制限ではない：樹木が成長する速度よりも速く伐採すれば、蓄積量は減少する。

持続可能な開発とは、将来の世代が自身のニーズを満たす能力を損なうことなく、現在のニーズを満たすことである。化学は作物生産、材料の寿命、工業効率の向上に寄与できる。コストや廃棄物を含む証拠を用いて改善を評価せよ。

**計算例：スケール比較。**架空のリソース貯蔵量は 20トンおよび 20 000トンである。比率は $20\,000/20=1000=10^3$：3桁の差である。まず一般的な単位を確認せよ。大きな貯蔵量だけでは持続可能性を証明できない；採掘速度と補充率も重要である。

飲料水は饮用に安全であり、溶解塩類および有害微生物が十分に低いレベルにある。純粋な水ではなく、溶解物質を含むため、化学的に純水ではない。透明に見える水でも、塩類、微生物、または溶解化学物质が含まれている可能性がある。

*淡水のろ過および殺菌処理。脱塩とは区別される。

イギリスでは、雨水が地下、湖川に集まり淡水となる。適切な水源を選び、懸濁固体を除去するためにろ過床を通し、次いで塩素、オゾン、または紫外線を用いて殺菌する。ろ過はすべての溶解塩を除去するものではなく、殺菌は塩を除去するのではなく微生物を制御する。

淡水供給が限定的な場合、脱塩は海水・塩水からの塩分除去を行う。蒸留は水を沸騰させ、蒸気を凝縮させて大部分の溶解塩を残す。逆浸透は圧力を適用し、適切な膜を通じて水を通し、塩分を保持させる。どちらも substantialなエネルギーを要する：加熱・凝縮または圧力発生。通常のろ過を脱塩と見なすのではなく、現地の水源、エネルギー供給、必要な品質に基づいて経路を選択せよ。

**RP8の知識。**pHおよび溶解固形物の測定により水サンプルを比較し、教師の監督下で蒸留を調査せよ。残渣については、既知のサンプル容量を計り、乾燥容器を秤量し、安全に水を蒸発させ、冷却後再秤量する；適切であれば、一定質量になるまで加熱・冷却を繰り返す。残渣質量は最終質量から空容器質量を引いた値である。蒸留はサンプルを単に乾かすだけでなく、蒸気の収集と冷却を要する。実験室サンプルを絶対に飲んではならない、また1回の測定で安全性を保証すると仮定してはならない。

計算例：残渣。 50.0 cm³のサンプルから 0.120 gの固体が残る。$50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}$に変換し、濃度 $=0.120/0.0500=2.40\ \mathrm{g/dm^3}$となる。これは指定された方法による残渣を測定しており、微生物的安全性を示すものではない。

下水および農業廃水には有機物および有害微生物の除去が必要です。工業廃水にも、適切な追加処理を要する有害化学物質が含まれることがあります。環境放出前の処理は、必ずしも飲料水としての品質を保証するものではありません。

スクリーニングで大きな物体を取り除き、砂除去装置で重い砂を除去します。沈殿では沈降したスラッジと液体の排水を分離します。その後、異なる経路をたどります：嫌気性消化は酸素なしでスラッジを処理し、好気性生物処理は排水中の有機物を処理するために酸素を使用します。両方の生成物を単一の想像された直列チェーンに送らないでください。

*スラッジ処理と排水処理の別分支店。

同等の地域条件において、適切な地下水は通常、廃水よりも少ない処理で済みます；海水はエネルギーを大量に消費する塩分除去が必要です。これは推論に基づく比較であり、すべての汚染源に対する絶対的な順位付けではありません。溶解物質、有機物、微生物、利用可能なプロセスを確認してください。

銅鉱石は有限であり、高品位の供給は希少になります。ファイトマイニングは植物を用いて金属化合物を吸収させます。植物を収穫して燃焼し、その灰に含まれる化合物を抽出します。さらに加工が必要で、植物から純粋な銅片が直接生産されるわけではありません。

バイオリーチングは細菌を用いて金属化合物を含むリーチェート溶液を生成します。適切な溶液からは、屑鉄による置換反応や電気分解によって銅を回収できます。金属材料を得た後には、両方の経路で回収工程が必要です。

*HT生物抽出後の銅回収。

鉄は銅より反応性が高く、置換反応を起こします。生物学的アプローチでは、膨大な量の岩石を掘削・移動・処分する必要を回避できますが、提供された情報に基づき、加工時間、収量、エネルギー、土地利用、廃棄物を比較してください。「生物学的」だからといって、無償、即時、あるいは影響がないことを意味しません。

ライフサイクルアセスメント（LCA） は、原材料の採掘・加工、製造・包装、使用・運用、寿命終了時の処分の各段階を考慮します。各段階での輸送および流通を含めます。同じサービスと寿命を比較します。例えば、同じ買い物荷物を同じ回数運ぶ場合などです。

水、資源、エネルギー、一部の廃棄物は適切なデータから定量化できます。ただし、測定や仮定には不確実性が残ります。異なる汚染物質の影響を一つのスコアに統合するには価値判断が必要であり、LCAは完全に客観的ではありません。処分段階のみを比較することはその段階については有用ですが、最適な製品全体を生み出すことはできません。

演算例：同等サービス期間の判断。 買い物タスクのための架空の紙袋の合計エネルギー消費量は$6+4+2=12$単位である。再利用可能プラスチック袋は製造に30単位、洗浄にタスクあたり1単位必要とする。$n$回のタスク後、紙袋には$12n$、プラスチック袋には$30+n$が必要となる。等しくなるのは$30=11n$のときであり、したがって$n=2.73$である。これらの仮定下では、再利用オプションは第3回目の完全タスク以降より少ないエネルギーを使用する。このエネルギー結果は、水使用量、ごみ排出、あるいはすべての汚染物質の影響が低いことをも同時に証明するものではない。各カテゴリーを記録し、実際の再利用率を確認すること。

材料使用量を減らすことで、採掘、加工、廃棄物を削減できます。収集・洗浄後のガラス瓶をそのまま再利用すれば、再製造を避けることができます；リサイクルではガラスを粉砕・再溶融して別の製品にします。金属は溶融・鋳造または成形変更が可能です。高炉由来の鉄に一部屑鉄を加えることで、鉱石からの採掘量を削減できます。

分離要件は最終特性に応じて異なります。混合材料や汚染がある場合は、選別がより複雑になることがあります。収集、輸送、洗浄、再溶融には依然として資源が消費されます。「リサイクル可能」は利用可能な経路を示すだけであり、実際に収集・加工が行われる保証ではありません。提供されたデータを用いて、這些の負担と採掘・製錬・加工の回避効果を比較してください。

転送。 指定されたバッチのリサイクルに8MJかかる場合、同じ素材と品質の新規生産に50MJかかったとすると、提供される削減量は$50-8=42$MJ、すなわち$42/50\times100=84\%$である。その数値を用いて主張する前に、収集が含まれているか確認すること。

腐食は材料が環境と化学反応を起こすことで破壊されます。鉄が錆びるには、水と酸素の両方が存在する必要があります。比較実験では、通常の湿った空気では錆びますが、乾燥空気では水が不足しており、油で覆った沸騰水では酸素の流入が制限されています。鉄サンプルと曝露条件を同等に保ってください。制御のない湿った釘1本だけでは、両物質が必須であることを示せません。

*鉄の錆びに関する水と酸素の制御。

塗料、油脂および適切なメッキはバリアを形成する。傷がつくと鉄が酸素と水に露出する。亜鉛めっきによる犠牲的保護では、亜鉛の方が鉄より反応性が高く優先的に酸化されるため、傷の部分でも適正な亜鉛との接触が保たれれば附近的な鉄は保護される。反応性の低い被覆はこの保護効果を与えない。アルミニウムの薄く密着した酸化層が表面を保護しているが、これがアルミニウムが絶対に反応しない証拠ではない。

日常で使われる金属の多くは合金である。異なる原子サイズが規則的な金属層を乱しすべりを困難にするが、すべての合金が同じ性质を持つとは限らないことに注意すること。

金の純度はカラットで表される：24 カラットが純金であり、18 カラットは質量で$18/24=75\%$ の金である。重さ12 gの指輪には金$12\times18/24=9$ gと他の金属3 gが含まれる。 unfamiliarな合金については、名前から推測せず提供された組成や性質データを使用すること。

ソーダライムガラスは砂、炭酸ナトリウム、石灰石を加熱して作る。ホウケイ酸ガラスは砂と三酸化ホウ素を用い、より高い温度で溶融する。粘土セラミックス（煉瓦や陶器など）は湿った粘土を成形し窯で焼成して作られる。硬度、脆性、耐熱性がそれぞれの用途を決定する。

低密度ポリエチレンと高密度ポリエチレンはどちらもエチレンから得られる。製造条件の違いにより鎖構造が異なり、LD素材では分岐が密集 packing を妨げ、直線的なHD鎖はより密に詰まる。同じ単量体であっても必ずしも同じ密度や柔軟性が得られるわけではない。

熱可塑性ポリマーは、ここで考察する架橋ネットワークを持たない独立した鎖を持つ。加熱すると分子間引力が克服され鎖同士が滑り合うため軟化・溶融し再成形可能である。この際、鎖の共有結合骨格を切断する必要はない。熱硬化性ポリマーは鎖をネットワークとして結ぶ共有結合の架橋結合を持ち、加熱しても溶融せず、過度な加熱では分解する。そのため、このネットワークに対して再溶融は適切なリサイクル経路ではない。

*個別のポリマー鎖と共有結合架橋ネットワーク。

複合材料は、繊維や破片からなる補強材を取り囲み接着するマトリックス／バインダーを持つ。例として樹脂中のガラス繊維、ポリマー樹脂中の炭素繊維、セメント系バインダー中の骨材を含むコンクリートがある。「炭素繊維」だけでは両成分を特定できない。必要とする強度、密度、柔軟性、耐温性、コストの組み合わせに基づき、数値データが提供されている場合はそれを用いて材料を選択すること。

ハーバー法は窒素肥料用アンモニアを製造する。窒素は空気から、水素は天然ガスと蒸気の反応から得られる。精製された気体を約450 °Cおよび約200 気圧下で鉄上通過させる。

*ハーバー条件、アンモニア除去および接続されたリサイクルループ。

この反応は可逆である。混合物を冷却するとアンモニアが液化して除去され、未反応の窒素と水素は反応器に戻される。リサイクルにより原料の使用効率が向上するが、ゼロ廃棄やゼロエネルギー消費を意味しない。これらの工程は両階層ともに必要である。

高次思考。 正方向の反応は発熱反応であるため、低い温度では平衡におけるアンモニア収率が増加するが反応速度は低下する。高い温度では反応速度は上がるものの、平衡収率は減少する。高い圧力は4つの反応物気体分子が2つの生成物気体分子になるためアンモリアに有利だが、強力な機器と圧縮にはコストとエネルギーがかかる。産業条件は反応速度、収率、コストのバランスを取ったものであり、最大可能な平衡収率を得るための条件ではない。鉄触媒は正逆両方の反応と平衡到達を速めるが、平衡位置自体は変えない。

演算例：供給量の確認。 2molの窒素と6molの水素がある場合、全反応物が変換されれば理論上の最大産物は4molのアンモニアとなる。一度の通過で1molの窒素しか反応しない場合、3molの水素が反応して2molのアンモニアが生成され、1molの窒素と3molの水素がリサイクル用に残る。一度の通過での変換率は、繰り返しリサイクルした後の全体の変換率とは異なる。

NPK肥料 は、植物の成長に必要な窒素、リン酸、カリウムを供給する塩類の調合物である。アンモニアからアンモニウム塩や硝酸を作ることができる。例えば、アンモニアは硝酸と中和反応を起こす：

塩化カリウム、硫酸カリウム、リン岩鉱石は採掘によって得られる。リン岩鉱石はそのまま肥料としては適さず、処理によって利用可能な可溶性塩に変える必要がある。これらの製品を思い出すこと：

シングル/トリプルスーパーフォスファート中のリン酸肥料は水素二リン酸カルシウムである。単に「酸処理」としてすべての酸処理を「スーパーフォスファート」とラベル付けせず、リン酸とカリウムの供給源を混同しないように注意すること。

同一の塩について、提供された情報を用いて実験室法と産業法の経路を比較せよ。慎重な中和・滴定 followed by 蒸発・結晶化により純固体を得ることができるが、滴定自体が不純物を含むものではない。産業法はアンモニア/酸の製造統合、連続的大規模生産の制御、熱回収が可能だが、機器、エネルギー、排出管理が必要である。実際のトレードオフを説明せよ。「産業法は常に優れている」という評価は適切ではない。

ある学校は飲料水、再利用可能容器、肥料を必要としている。なぜろ過だけでは海水の脱塩ができないか、なぜ再利用可能製品には同等サービスのLCAが必要か、なぜHaberガスがリサイクルされているにもかかわらず肥料製造には資源消費が残るか説明せよ。さらに、傷ついた塗料と傷ついた亜鉛メッキ鉄を比較せよ。各決定に対して欠けているデータや条件を特定し、一つの選択肢がすべての問題に解決策となるという主張は避けること。