Использование ресурсов

Городу нужна безопасная вода, мост, устойчивый к коррозии, и удобрения для ферм. Самая дешевая сырьевая база не автоматически является лучшим выбором: важны обработка, срок службы, энергия и отходы. Сравните одну и ту же полезную услугу, укажите условия и объясните химию принятия решения.

Данный раздел охватывает 4.10.1.1–4.10.4.2 для курса «Раздельная химия». Альтернативные методы биологической извлечения металлов и оценка равновесия/скорости процесса Габера-Боша — высший уровень (HT). Письменные задания RP8 проверяют теоретические знания; фактический надзорный анализ и очистка требуют оформления лабораторного журнала.

Земные ресурсы обеспечивают тепло, жилище, продовольствие и транспорт. Сельское хозяйство дополняет природные запасы пищи, древесины и волокон. Натуральную шерсть или хлопок можно дополнить или заменить синтетическими волокнами, такими как полиэстер; синтетический продукт не является автоматически более устойчивым.

Невозобновляемый ресурс имеет ограниченные запасы, которые не восстанавливаются в масштабах времени использования, например, руды металлов или ископаемое топливо. Возобновляемый ресурс может быть восполнен в разумных временных масштабах, например, при рациональном лесоводстве. Возобновляемость не означает неограниченность: вырубка деревьев быстрее, чем они растут, всё равно снижает запасы леса.

Устойчивое развитие удовлетворяет текущие потребности без ущерба для способности будущих поколений удовлетворять свои собственные. Химия может повысить урожайность, срок службы материалов и промышленную эффективность. Оценивайте улучшения на основе доказательств, включая затраты и отходы.

Пример масштабного сравнения. Фиктивные запасы ресурсов составляют 20 тонн и 20 000 тонн. Соотношение составляет $20\,000/20=1000=10^3$: три порядка величины. Сначала проверьте единицы измерения. Сам по себе большой запас не гарантирует устойчивость; также важны скорость добычи и темпы восстановления.

Питьевая вода безопасна для употребления, содержит достаточно низкие концентрации растворённых солей и вредных микроорганизмов. Это не химически чистая вода, так как она содержит растворённые вещества. Прозрачная на вид вода может содержать соли, микроорганизмы или растворённые химические соединения.

В Великобритании дождевая вода supplies fresh water collects in the ground, lakes and rivers. Выберите подходящий источник, пропустите воду через фильтрующие слои для удаления взвешенных частиц, затем обеззаразьте, используя хлор, озон или ультрафиолетовое освещение. Фильтрация не удаляет все растворённые соли; обеззараживание подавляет микроорганизмы, а не удаляет соли.

Если пресные запасы ограничены, опреснение удаляет соль из морской или солёной воды. Дистилляция кипятиет воду и конденсирует её пар, оставляя большинство растворённых солей позади. Обратный осмос использует давление для продавливания воды через подходящую мембрану, задерживая соли. Оба метода требуют значительных энергозатрат: нагрев/конденсация или создание давления. Выберите метод с учётом местного источника, энергоснабжения и требуемого качества, не путая обычную фильтрацию с опреснением.

Знания RP8. Сравните образцы воды с помощью измерений pH и количества растворённых веществ, затем изучите дистилляцию под присмотром учителя. Для остатка отмерьте известный объём образца, взвесьте сухую ёмкость, безопасно выпарите воду, остудите и снова взвесьте; при необходимости повторяйте нагревание и охлаждение до постоянной массы. Масса остатка — это конечная масса минус масса пустой ёмкости. Дистилляция требует сбора и охлаждения пара, а не просто высушивания образца. Никогда не пейте лабораторные образцы и не полагайтесь на одно измерение для подтверждения безопасности.

Пример расчёта остатка. Образец объёмом 50.0 см³ оставляет 0.120 г твёрдого вещества. Переведите $50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}$, чтобы получить концентрацию $=0.120/0.0500=2.40\ \mathrm{g/dm^3}$. Это измерение остатка согласно указанному методу, а не проверка микробной безопасности.

Канализационные и сельскохозяйственные сточные воды требуют удаления органических веществ и вредных микроорганизмов. Промышленные стоки могут содержать опасные химические вещества, требующие дополнительного специализированного очищения. Обработка перед сбросом в окружающую среду не делает воду автоматически питьевой.

Экраны удаляют крупные предметы, а удаление grit (песка/шлама) убирает тяжёлые взвеси. Отстаивание разделяет осевший ил и жидкий стоковый выпуск. Затем они проходят разные пути: анаэробное пищеварение обрабатывает ил без кислорода; аэробная биологическая обработка использует кислород для разложения органики в стоковом выпуске. Не направляйте оба продукта через одну воображаемую последовательную цепочку.

*Отдельные ветви обработки шлама и сточных вод.

При сопоставимых местных условиях подземные воды обычно требуют меньше обработки, чем сточные воды; морская вода требует энергоёмкого удаления солей. Это обоснованное сравнение, а не абсолютная ранжирование для каждого загрязнённого источника. Проверяйте растворённые вещества, органику, микроорганизмы и доступные методы обработки.

Медные руды — невозобновляемый ресурс, а высококачественные запасы становятся всё реже. Фитомайнинг использует растения для поглощения соединений металла. Соберите растения и сожгите их; зола содержит эти соединения. Требуется дальнейшая переработка: растение не производит кусок чистой меди.

Биолиминг использует бактерии для получения выщелоченного раствора, содержащего соединения металлов. Медь можно извлечь из подходящего раствора методом вытеснения с использованием лома железа или электролизом. Оба метода требуют этапа извлечения после получения материала, содержащего металл.

Железо более активно, чем медь, и вытесняет её. Биологические методы могут избежать добычи, перемещения и утилизации огромных объемов горной породы, однако необходимо сравнить время обработки, выход, энергозатраты, использование земли и образование отходов на основе предоставленных данных. Термин «биологический» не означает бесплатность, мгновенность или отсутствие воздействия на окружающую среду.

Оценка жизненного цикла (LCA) охватывает добычу/переработку сырья; производство/упаковку; использование/эксплуатацию; и утилизацию по окончании срока службы. Необходимо учитывать транспортировку и распределение на каждом этапе. Сравнение должно проводиться для одного и того же сервиса и при одинаковой продолжительности, например, для переноски одной и той же нагрузки в течение одинакового количества раз.

Воду, ресурсы, энергию и некоторые отходы можно количественно оценить на основе подходящих данных. Измерения и предположения все еще содержат неопределенность. Объединение влияния различных загрязнителей в один показатель требует оценочных суждений; поэтому LCA не является чисто объективной. Сравнение только этапа утилизации может быть полезным для этой стадии, но не позволяет определить лучший продукт на всем протяжении жизненного цикла.

Решение на основе эквивалентного сервиса (решенный пример). Вымышленные данные для бумажного пакета на задачу покупок составляют $6+4+2=12$ энергетических единиц. Многоразовый пластиковый пакет требует 30 единицы для производства и 1 единицы за каждую задачу очистки. После $n$ задач бумажному пакету потребуется $12n$, а пластиковому — $30+n$. Равенство дает значение $30=11n$, следовательно, $n=2.73$; при этих допущениях многоразовый вариант расходует меньше энергии начиная с третьего полного использования. Этот результат по энергозатратам не доказывает автоматически меньшее потребление воды, количество мусора или влияние каждого вида загрязнителя. Записывайте показатели каждой категории и фактическую частоту повторного использования.

Снижение расхода материалов может уменьшить добычу, переработку и образование отходов. Повторное использование целой стеклянной бутылки после сбора и мойки предотвращает необходимость ее переплавки; переработка же предполагает дробление и повторную переплавку стекла для создания другого продукта. Металлы можно переплавить и отливать заново или деформировать. Часть металлолома можно добавлять в железо из доменной печи, что снижает объем руды, подлежащей добыче.

Требования к разделению зависят от необходимых конечных свойств. Смешанные материалы и загрязнения могут потребовать дополнительной сортировки; сбор, транспортировка, мойка и повторное плавление всё равно требуют ресурсов. Термин «перерабатываемый» описывает возможный путь, а не доказательство того, что сбор и переработка действительно происходят. Сравните эти затраты с предотвращённой добычей/добычей карьеров и переработкой, используя предоставленные данные.

Перенос (энергия). Если переработка указанного лота требует 8 МДж, а производство нового материала требует 50 МДж при том же качестве, то заявленная экономия составляет $50-8=42$ МДж, или $42/50\times100=84\%$%. Проверьте, была ли сбор отходов включена перед использованием этого числа в заявлении.

Коррозия разрушает материал через химические реакции с окружающей средой. Железо ржавеет только при наличии как воды, так и кислорода. В сравнении обычная влажная воздух позволяет ржавлению; сухой воздух не содержит воды; прокипяченная вода под слоем масла ограничивает доступ кислорода. Образцы железа и условия воздействия должны быть сопоставимыми. Один влажный гвоздь без контрольных образцов не может доказать необходимость обоих веществ.

Краска, смазка и подходящее электропокрытие создают барьер. Царапина может обнажить железо для контакта с кислородом и водой. Оцинкование цинком обеспечивает жертвенную защиту: цинк более активен, чем железо, и окисляется предпочтительно, поэтому соседнее железо остается защищенным даже в месте царапины, пока сохраняется контакт с цинком. Покрытие менее активного металла не может обеспечить такую же защиту. Тонкий прочный слой оксида алюминия защищает его поверхность; это не является доказательством того, что алюминий никогда не реагирует.

Большинство everyday металлов являются сплавами. Различный размер атомов может нарушать регулярные металлические слои и затруднять скольжение; не утверждайте, что каждый сплав имеет идентичные свойства.

Чистота золота измеряется каратами: 24 карат — это чистое золото, а 18 карат составляет $18/24=75\%$ золота по массе. В кольце массой 12 г содержится $12\times18/24=9$ г золота и 3 г других металлов. Для неизвестного сплава используйте предоставленные данные о составе или свойствах, а не делайте предположений на основе названия.

Содово-известковое стекло получают нагреванием песка, карбоната натрия и мела. Боросиликатное стекло изготавливают из песка и оксида бора, оно плавится при более высокой температуре. Глиняная керамика, такая как кирпичи и посуда, создаётся путём формования влажной глины и её обжига в печи. Твёрдость, хрупкость и жаростойкость определяют область применения каждого материала.

Полиэтилен низкой плотности и полиэтилен высокой плотности получаются из этилена. Различные условия производства приводят к разной структуре цепей: разветвление затрудняет плотную упаковку в материале LD; прямые цепи HD упаковываются ближе. Один и тот же мономер не обеспечивает одинаковую плотность или гибкость.

Термопластичный полимер состоит из отдельных цепей без рассматриваемой здесь сшитой сети. При нагревании цепи скользят друг относительно друга по мере преодоления межмолекулярных взаимодействий, поэтому он размягчается/плавится и может быть переформован. Плавление не требует разрыва ковалентной основы цепи. Термореактивный полимер имеет ковалентные связи, соединяющие цепи в сетку; он не плавится при нагревании, а достаточно сильное нагревание может его разложить. Поэтому повторное плавление не является подходящим методом переработки такой сетки.

Композит состоит из матрицы-связующего, окружающего и скрепляющего армирование в виде волокон или фрагментов. Примеры включают стеклянные волокна в смоле, углеродные волокна в полимерной смоле и бетон с заполнителем в цементном связующем. Само по себе «углеродное волокно» не идентифицирует оба компонента. Выбирайте материалы по требуемому сочетанию прочности, плотности, гибкости, термостойкости и стоимости, используя количественные данные при их наличии.

Процесс Габера используется для производства аммиака для азотных удобрений. Азот получают из воздуха; водород можно получить из природного газа, реагирующего со паром. Очищенные газы пропускают через железо при температуре около 450 °C и давлении около 200 атмосферы.

Реакция обратима. Охлаждение смеси приводит к конденсации аммиака для его удаления; непрореагировавшие азот и водород возвращаются в реактор. Рециклинг улучшает использование сырья, но не гарантирует нулевых отходов или нулевых энергозатрат. Эти этапы процесса необходимы на обоих уровнях.

Обоснование HT. Прямая реакция экзотермическая, поэтому низкая температура благоприятствует равновесному выходу аммиака, но замедляет реакцию. Высокая температура повышает скорость, но снижает равновесный выход. Высокое давление благоприятствует образованию аммиака, так как четыре молекулы газообразных реагентов превращаются в две молекулы продукта, однако прочное оборудование и компрессоры требуют значительных затрат и энергии. Промышленные условия балансируют скорость, выход и стоимость; они не являются условиями для максимально возможного равновесного выхода. Железо ускоряет обе стороны реакции и приближение к равновесию, не изменяя его положения.

Разобранный пример проверки подачи сырья. Имея 2 моль азота и 6 моль водорода, теоретический максимум составляет 4 моль аммиака при полном протекании реакции. Если за один проход реагирует только 1 моль азота, то реагирует 3 моль водорода и образуется 2 моль аммиака; 1 моль азота и 3 моль водорода остаются для рецикла. Степень конверсии за один проход отличается от общей конверсии после многократного рецикла.

NPK-удобрение — это формуляция солей, обеспечивающих растения азотом, фосфором и калием. Из аммиака можно получать аммониевые соли и азотную кислоту. Например, аммиак нейтрализует азотную кислоту:

Хлорид калия, сульфат калия и фосфорит получают добычей. Фосфорит напрямую не подходит в качестве удобрения; обработка превращает его в растворимые соли, пригодные для применения. Вспомните эти продукты:

Фосфорное удобрение в одинарном/тройном суперфосфате — это дигидрофосфат кальция. Не называйте каждую кислотную обработку просто «суперфосфатом» и не путайте фосфорную кислоту с источником калия.

Для одной и той же соли сравните лабораторный и промышленный пути получения на основе предоставленных данных. Тщательная лабораторная нейтрализация/титрование с последующим выпариванием и кристаллизацией может дать чистое твердое вещество: титрование само по себе не гарантирует наличие примесей. Промышленность может интегрировать производство аммиака/кислоты, контролировать непрерывный выпуск больших объемов и утилизировать тепло, но требует специального оборудования, энергии и систем управления выбросами. Объясните реальную компромиссную зависимость; утверждение «промышленность всегда лучше» не является оценкой.

Школа хочет получить питьевую воду, многоразовый контейнер и удобрение. Объясните, почему только фильтрация не может опреснить морскую воду, почему для многоразового продукта необходим эквивалентный LCA (оценка жизненного цикла), и почему производство удобрений все равно потребляет ресурсы даже при рециркуляции газов процесса Габера. Затем сравните поврежденную краску с поврежденным цинковым покрытием на железе. Укажите недостающие данные или условия для каждого решения, а не заявляйте, что один вариант решает все проблемы.