Chimie și societate – aplicații interdisciplinare

Aplicații ale chimiei în viața cotidiană, industrie, medicină și protecția mediului.

Poluanți chimici și impactul lor asupra mediului

Un poluant este o substanță prezentă în mediu într-o concentrație care depășește nivelul natural și produce efecte negative. Important de înțeles: aproape orice substanță poate deveni poluant — problema este concentrația și locul, nu natura chimică în sine. Dioxidul de carbon este indispensabil fotosintezei, dar în exces destabilizează clima.

Poluanți atmosferici și efectele lor:

• SO2 și oxizii de azot (NOx) – provin din arderea combustibililor cu sulf și din motoarele cu ardere internă; în atmosferă se oxidează și, cu vaporii de apă, dau acid sulfuric și acid azotic, adică ploile acide. Efecte: acidifierea solurilor și a lacurilor, distrugerea pădurilor, coroziunea construcțiilor din calcar și marmură (CaCO3 + acid → sare solubilă).
• CO – gaz incolor, inodor, extrem de toxic: se leagă de hemoglobină de peste 200 de ori mai puternic decât oxigenul, formând carboxihemoglobină, și blochează transportul de oxigen.
• CO2 și metanul – gaze cu efect de seră; nu sunt toxice, dar rețin radiația infraroșie reemisă de sol.
• freonii (clorofluorocarburile) – degradează stratul de ozon stratosferic; un singur atom de clor eliberat de radiația UV distruge zeci de mii de molecule de ozon, printr-un mecanism în lanț.

Poluarea apelor: metale grele (plumb, mercur, cadmiu), nitrați și fosfați din îngrășăminte, detergenți, hidrocarburi. Eutrofizarea este efectul tipic al excesului de nitrați și fosfați: algele se înmulțesc exploziv, apoi mor, iar descompunerea lor consumă oxigenul din apă și sufocă restul vieții acvatice.

Poluarea solului: pesticide persistente, deșeuri, metale grele. Problema majoră este bioacumularea: substanțele care nu se descompun se concentrează de-a lungul lanțului trofic și ajung, cel mai concentrat, în organismele de la vârf.

Medicamente – principii active și grupe funcționale

Un medicament conține substanța activă (principiul activ), cea care produce efectul terapeutic, și excipienți — substanțe fără efect farmacologic, care asigură forma, stabilitatea și gustul.

Exemple pe care le poți analiza cu ce ai învățat la organică:

• Acidul acetilsalicilic (aspirina) – ester al acidului salicilic cu acid acetic. Conține grupa carboxil (-COOH) și grupa ester (-COO-). Efect analgezic, antipiretic, antiinflamator și anticoagulant. Aciditatea explică iritația gastrică.
• Paracetamolul – conține o grupă hidroxil fenolică și o grupă amidică. Analgezic și antipiretic, dar fără efect antiinflamator notabil; supradozarea îi este toxică ficatului.
• Penicilinele – antibiotice cu ciclu beta-lactamic; blochează formarea peretelui celular bacterian.
• Vitamina C (acidul ascorbic) – conține mai multe grupe hidroxil, are caracter reducător (antioxidant) și este solubilă în apă.

De reținut o legătură-cheie cu chimia organică: grupele funcționale determină proprietățile — solubilitatea în apă sau în grăsimi, stabilitatea, modul în care substanța se leagă de receptorii din organism. Un compus cu multe grupe -OH sau -COOH este hidrosolubil și se elimină renal; unul preponderent hidrocarbonat este liposolubil și se acumulează în țesutul gras.

Utilizarea responsabilă este parte din programă: administrarea antibioticelor doar la indicația medicului (folosirea abuzivă selectează bacterii rezistente), respectarea dozei și a intervalului, atenție la interacțiunile cu alcoolul și la termenul de valabilitate, predarea medicamentelor expirate la farmacie, nu aruncarea lor la gunoi sau în canalizare.

Aditivi alimentari și conservanți

Aditivii alimentari sunt substanțe adăugate intenționat în alimente pentru a le îmbunătăți conservarea, aspectul, gustul sau textura. În Uniunea Europeană fiecare aditiv aprobat primește un cod E, iar prezența lui pe etichetă este obligatorie.

O precizare care contrazice un mit răspândit: codul E nu înseamnă substanță periculoasă, ci substanță evaluată și autorizată. E300 este vitamina C, E330 este acidul citric din lămâie, E440 este pectina din mere.

Categoriile principale:

• conservanți – împiedică dezvoltarea microorganismelor: benzoatul de sodiu (E211), sorbatul de potasiu (E202), dioxidul de sulf și sulfiții (E220-E228) la vinuri și fructe uscate, azotitul de sodiu (E250) la mezeluri;
• antioxidanți – împiedică râncezirea grăsimilor prin oxidare: acidul ascorbic (E300), tocoferolii (E306, vitamina E);
• coloranți – naturali (caramel, betacaroten, antociani) sau sintetici;
• potențiatori de aromă – glutamatul monosodic (E621);
• emulgatori și stabilizatori – lecitina (E322), care permite amestecarea apei cu grăsimea în maioneză și ciocolată;
• îndulcitori – zaharina, aspartamul, stevia; aportul lor caloric este neglijabil față de al zahărului.

Metode de conservare fără aditivi, tot pe bază de principii chimice și cinetice: frigul (încetinește reacțiile de degradare și înmulțirea bacteriilor), sterilizarea termică, deshidratarea (fără apă, microorganismele nu se dezvoltă), sărarea și afumarea, ambalarea în atmosferă modificată (înlocuirea oxigenului cu azot).

Citirea etichetei este o competență practică: ingredientele sunt scrise în ordinea descrescătoare a cantității, deci dacă zahărul e pe primul loc, el este componentul majoritar.

Materiale noi: ceramică, compozite, nanomateriale

Materialele ceramice sunt materiale anorganice, nemetalice, obținute prin tratare termică la temperaturi înalte: cărămida, porțelanul, faianța, cimentul, sticla, dar și ceramica tehnică modernă. Proprietăți: duritate mare, rezistență la temperaturi înalte și la coroziune, izolatoare electric, dar casante — nu se deformează, ci se sparg. Ceramica tehnică (oxid de zirconiu, nitrură de siliciu, carbură de siliciu) se folosește la scuturi termice, plăcuțe de tăiere, implanturi dentare și proteze de șold.

Materialele compozite combină două materiale diferite pentru a obține proprietăți pe care niciunul nu le are singur. Structura are întotdeauna două componente: matricea (leagă și transmite eforturile) și armătura (preia solicitările mecanice).

Exemple:

• betonul armat – matrice de beton (rezistă la compresiune) + armătură de oțel (rezistă la întindere);
• fibra de sticlă și fibra de carbon – armătură de fibre într-o matrice de rășină polimerică; raport rezistență/greutate excelent, de aici utilizarea în aviație, automobile de competiție, biciclete, echipament sportiv;
• lemnul este un compozit natural: fibre de celuloză într-o matrice de lignină.

Nanomaterialele au cel puțin o dimensiune sub 100 de nanometri. La această scară proprietățile se schimbă radical, pentru că raportul suprafață/volum devine enorm: nanotuburile de carbon și grafenul sunt de sute de ori mai rezistente decât oțelul la aceeași masă și conduc excelent curentul; nanoparticulele de argint au efect antibacterian; dioxidul de titan nanostructurat face suprafețele autocurățătoare.

Întrebarea deschisă, care ține de responsabilitate, nu de tehnologie: efectele nanoparticulelor asupra sănătății și mediului nu sunt încă pe deplin cunoscute, tocmai pentru că sunt suficient de mici ca să traverseze bariere biologice.

Chimia verde și dezvoltarea durabilă

Chimia verde înseamnă proiectarea proceselor chimice astfel încât să prevină poluarea, nu să o trateze după ce a apărut. Diferența de filosofie e esențială: nu filtrezi deșeul la coș, ci concepi reacția ca să nu îl producă.

Principiile de bază pe care programa le cere:

• prevenirea formării deșeurilor este preferabilă tratării lor;
• economia de atom – reacția ideală transformă cât mai mult din masa reactanților în produs util; o reacție de adiție are economie de atom mai bună decât una de substituție, unde o parte din reactant ajunge produs secundar;
• folosirea de solvenți mai puțin periculoși — ideal, apa sau chiar absența solventului;
• cataliza în locul reactivilor stoechiometrici: catalizatorul se folosește în cantitate mică și se recuperează;
• materii prime regenerabile (biomasă) în locul celor fosile;
• eficiență energetică: reacții la temperatura și presiunea camerei, ori de câte ori e posibil;
• produse biodegradabile, proiectate să se descompună după utilizare.

Dezvoltarea durabilă este dezvoltarea care satisface nevoile prezentului fără a compromite capacitatea generațiilor viitoare de a-și satisface propriile nevoi. Aplicat la chimie, înseamnă economie circulară: materialele circulă în bucle, nu se transformă în deșeu după o singură utilizare.

Exemple concrete: bioplasticele din amidon, biocombustibilii, recuperarea metalelor din deșeuri electronice (un lucru rar spus la ore: o tonă de plăci electronice conține mai mult aur decât o tonă de minereu aurifer), reciclarea aluminiului cu sub 10% din energia producției primare, procedeele fără solvenți organici în industria farmaceutică.

La nivel individual, deciziile care contează chimic: colectarea separată, predarea bateriilor și a becurilor la puncte specializate (conțin metale grele), evitarea aruncării uleiului alimentar uzat în chiuvetă și a medicamentelor în canalizare.

Test — 6 întrebări ca la examen