Номер 4, страница 164, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

4. Охарактеризуйте роль химии в создании новых материалов, в решении энергетической и сырьевой проблем.

Роль химии в создании новых материалов

Химия играет центральную роль в создании новых материалов, которые являются основой технологического прогресса и улучшения качества жизни. Благодаря целенаправленному синтезу веществ с заранее заданными свойствами, химия позволяет получать материалы, превосходящие природные аналоги или обладающие уникальными характеристиками.

1. Полимеры и пластмассы. Синтез полимеров (полиэтилен, полипропилен, ПВХ, нейлон, лавсан) произвел революцию в упаковке, строительстве, автомобилестроении, текстильной промышленности и медицине. Химики научились управлять структурой полимерных цепей, создавая материалы с различной прочностью, эластичностью, термостойкостью и химической инертностью.

2. Композиционные материалы. Химия позволяет создавать композиты — материалы, состоящие из нескольких компонентов с различными свойствами. Например, углепластики (углеродные волокна в полимерной матрице) сочетают в себе лёгкость и высочайшую прочность, что делает их незаменимыми в авиакосмической отрасли и спортивном инвентаре.

3. Наноматериалы. Управление веществом на нанометровом уровне (1-100 нм) открыло эру наноматериалов. Такие структуры, как углеродные нанотрубки, графен и квантовые точки, обладают исключительными механическими, электрическими и оптическими свойствами. Они находят применение в электронике нового поколения, медицине (адресная доставка лекарств), энергетике и катализе.

4. Материалы для электроники. Развитие современной электроники невозможно без химии. Это и синтез сверхчистого кремния для микросхем, и создание материалов для жидкокристаллических дисплеев, органических светодиодов (OLED), а также разработка полупроводников и диэлектриков с заданными параметрами.

5. Биосовместимые материалы. Для медицины химия создает биосовместимые и биоразлагаемые материалы для имплантатов, протезов, хирургических нитей, а также систем контролируемого высвобождения лекарственных средств.

Ответ: Роль химии в создании новых материалов заключается в целенаправленном синтезе и модификации веществ на молекулярном уровне для получения полимеров, композитов, наноматериалов и других соединений с уникальными, заранее определенными свойствами, необходимыми для всех сфер человеческой деятельности.

Роль химии в решении энергетической проблемы

Энергетическая проблема — одна из самых острых глобальных проблем, и химия предлагает ключевые решения как для оптимизации существующих источников энергии, так и для развития новых.

1. Традиционная энергетика. Химические процессы лежат в основе переработки ископаемого топлива. Крекинг, риформинг и изомеризация позволяют получать из нефти высокооктановый бензин и другие виды топлива. Химия также разрабатывает катализаторы для автомобильных конвертеров, которые снижают токсичность выхлопных газов, превращая CO, NOx и несгоревшие углеводороды в более безопасные CO₂, N₂ и H₂O.

2. Возобновляемая энергетика.

• Солнечная энергетика: Химики разрабатывают новые материалы для фотоэлементов, такие как перовскиты, органические полупроводники и квантовые точки, чтобы повысить их КПД и снизить стоимость. Ведутся работы по созданию систем "искусственного фотосинтеза" для получения топлива из воды и углекислого газа под действием солнечного света.

• Водородная энергетика: Химия предлагает способы эффективного производства водорода (например, каталитический электролиз воды: $2H_2o \rightarrow 2H_2 + O_2$) и его безопасного хранения (например, в виде гидридов металлов или в составе жидких органических носителей).

• Биотопливо: Химические и биохимические методы используются для переработки биомассы (растений, отходов сельского хозяйства) в этанол, биодизель и биогаз.

3. Хранение и сбережение энергии. Аккумуляторы и суперконденсаторы — это электрохимические устройства. Химия занимается синтезом новых материалов для электродов и электролитов, что позволяет создавать литий-ионные и перспективные (твердотельные, литий-серные) батареи с большей емкостью, долговечностью и безопасностью. Кроме того, разработка эффективных катализаторов для промышленности позволяет проводить реакции при более низких температурах и давлениях, что значительно снижает энергопотребление производств.

Ответ: Роль химии в решении энергетической проблемы состоит в усовершенствовании технологий переработки и использования традиционных энергоносителей, а также в создании научных основ для альтернативной энергетики путем разработки новых материалов для солнечных панелей, аккумуляторов, систем производства и хранения водорода, и повышения общей энергоэффективности процессов.

Роль химии в решении сырьевой проблемы

Сырьевая проблема связана с истощением невозобновляемых природных ресурсов и необходимостью поиска им замены, а также более рационального использования имеющегося сырья.

1. Замена природного сырья синтетическим. Химия позволяет создавать из доступного и распространенного сырья (нефть, газ, уголь, минералы) материалы, заменяющие и часто превосходящие по свойствам дефицитные природные ресурсы. Классические примеры — синтетический каучук вместо натурального, полимеры вместо древесины и металлов, синтетические волокна вместо хлопка и шерсти.

2. Комплексная переработка сырья и повышение эффективности. Современные химические технологии направлены на максимально полное использование всего сырья. Например, при переработке нефти или руды извлекаются практически все ценные компоненты. Использование высокоселективных катализаторов позволяет свести к минимуму образование побочных продуктов и отходов, увеличивая "атомную экономику" процессов и экономя сырье.

3. Переработка отходов и создание замкнутых циклов (рециклинг). Химия разрабатывает методы переработки промышленных и бытовых отходов. Помимо механического рециклинга, все большее значение приобретает химический рециклинг, например, деполимеризация пластиков с возвращением их к исходным мономерам. Это позволяет создавать из отходов новое высококачественное сырье, реализуя принципы циркулярной экономики.

4. Использование новых видов сырья.

• Возобновляемое сырье: Химия ищет пути использования биомассы (древесины, соломы, водорослей) в качестве возобновляемого источника для производства широкого спектра химических продуктов и топлив (концепция "зеленой химии").

• Неисчерпаемое сырье: Разрабатываются технологии, позволяющие использовать в качестве сырья компоненты атмосферы. Классический пример — процесс Габера-Боша по синтезу аммиака из атмосферного азота и водорода ($N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$), что является основой производства азотных удобрений. Перспективным направлением является улавливание и химическая переработка углекислого газа ($CO_2$) в топливо, полимеры и другие полезные продукты.

Ответ: Роль химии в решении сырьевой проблемы заключается в замене дефицитного сырья синтетическими аналогами, разработке технологий комплексной и безотходной переработки ресурсов, создании методов химического рециклинга отходов и вовлечении в производство новых, в том числе возобновляемых и неисчерпаемых, видов сырья (биомасса, $CO_2$, $N_2$).