Nie jest wielkim nadużyciem stwierdzenie, że wszystko, co nas otacza, jest w zasadzie materią. I choć według przypuszczeń namacalna materia stanowi jedynie ok. 5 proc. całego Wszechświata (większość mają stanowić nieznane formy – ciemna materia i ciemna energia), to jej obecność jest dla nas kluczowa. Nasze życie jest możliwe dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu różnorodnych atomów pierwiastków w bezkresnej przestrzeni Wszechświata. Dokładnym poznaniem otaczającej materii od lat zajmuje się nauka zwana chemią. Amerykańscy autorzy Theodore L. Brown i H. Eugene LeMay w swojej książce „Chemistry – The Central Science” napisali: „Chemia jest centralną, fundamentalną nauką, ściśle związaną z niemal każdym przejawem naszych kontaktów z materialnym światem, a także stanowi nierozerwalną część ogólnoludzkiej kultury”. To prawda, że dopiero dogłębne poznanie materii pozwoliło ją okiełznać, a następnie wykorzystać w taki sposób, aby osiągać konkretne cele. W rezultacie zagwarantowało to ludzkości widoczny w ostatnim 150-leciu skok cywilizacyjny.
Choć wiedzę chemiczną stosowano nieświadomie już ok. 4000 lat p.n.e., głównie w czasie przerobu metali, to przez wiele wieków jej rozwój był raczej symboliczny i oparty na praktycznych obserwacjach, a nie rzeczywistej wiedzy stosowanej świadomie. Punktem zwrotnym była XVII-wieczna teoria Roberta Boyle’a, według której materia miała składać się z pojedynczych pierwiastków chemicznych, na co dużo wcześniej wskazywali już greccy filozofowie. Następnie przez dziesiątki lat naukowcy definiowali prawa naukowe, poznawali kolejne pierwiastki i związki chemiczne, lecz dopiero XIX w. przyniósł rozwój chemii siarki, azotu, fosforu i fluoru. Od tego momentu można było zaobserwować rozwój pierwszych instalacji przemysłowych, w których otrzymywano proste związki nieorganiczne (np. kwas siarkowy, sodę). Nawet dziś synteza nieorganiczna pozostaje istotną dziedziną chemii.
Prawdziwa rewolucja chemiczna nie byłaby jednak możliwa bez rozwoju chemii węgla oraz syntezy organicznej, która w kolejnych latach odmieniła świat i przeniosła naszą cywilizację o poziom wyżej. Historia ta rozpoczęła się w 1828 r., gdy niemiecki chemik Friedrich Wöhler po raz pierwszy przeprowadził syntezę mocznika. To wydarzenie ostatecznie obaliło mit, że związki produkowane przez organizmy żywe nie mogą być otrzymane w laboratorium.
Spalać czy przetwarzać
Współczesna synteza chemiczna nie byłaby możliwa bez wykorzystania paliw kopalnych, które mają równocześnie znaczenie energetyczne. Ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel od lat dominują w świecie energetyki, ale są również podstawowymi surowcami do syntezy chemicznej. Dzięki procesom destylacji frakcyjnej ropy naftowej, zgazowania oraz suchej destylacji węgla, jak również reformingu gazu ziemnego otrzymuje się wiele użytecznych frakcji gazowych, ciekłych i stałych, które mogą być następnie odpowiednio obrobione i wykorzystane w energetyce, transporcie oraz w petrochemii. To nie przypadek, że najbardziej dynamicznie rozwijającą się gałęzią światowego przemysłu chemicznego jest petrochemia. Jej obecność jest fundamentalna – dostarcza wszelkiego rodzaju surowców dla wielu innych gałęzi przemysłu. Szacuje się, że stanowi obecnie aż ok. 90 proc. całej przemysłowej syntezy organicznej. W procesach petrochemicznych węglowodory gazowe i ciekłe pochodzące z paliw kopalnych wykorzystuje się do uzyskania podstawowych chemikaliów, które są z kolei stosowane przez szereg technologii średnio- i małotonażowej produkcji.
Naukowcy od lat alarmują, że tak doskonale przygotowane do przemian chemicznych paliwa kopalne, jak ropa naftowa i gaz ziemny, powinny być raczej wykorzystywane jako surowce do dalszych syntez, a nie spalane jako produkty energetyczne. Według różnych szacunków przy obecnym zużyciu ropy naftowej oraz gazu ziemnego ich pokłady wystarczą jeszcze na kilkadziesiąt lat (tak naprawdę nikt nie jest w stanie tego precyzyjnie prognozować, a sporządzone uprzednio modele okazały się błędne). Co więcej, blisko 60 proc. światowych zasobów ropy naftowej oraz 40 proc. światowego gazu ziemnego znajduje się na Bliskim Wschodzie. W związku z destabilizacją polityczną w tym regionie oraz dużymi pokładami węgla w pozostałych częściach świata pojawiają się coraz liczniejsze głosy skłaniające do wykorzystania tego surowca jako substratu do produkcji paliw płynnych.
Idea wyprodukowania benzyny z węgla nie jest niczym nowym. Pomysł przemiany substancji stałych (np. węgla kamiennego) na ciecz, która będzie napędzać pojazdy silnikowe, zrodził się w latach 20. ubiegłego wieku w głowach dwóch wybitnych niemieckich chemików – Franza Fischera i Hansa Tropscha. Wówczas węgiel najpierw poddawany był zgazowaniu do otrzymania gazu syntezowego (mieszaniny wodoru i tlenku węgla), który następnie wykorzystywano w katalitycznym procesie (nazwanym na cześć niemieckich uczonych procesem Fischera-Tropscha) do produkcji benzyny syntetycznej. Ogromny potencjał syntetycznego paliwa wykorzystano w praktyce podczas II wojny światowej. Niemcy, mając duże zasoby węgla przy ograniczonym dostępie do ropy naftowej, musieli znaleźć metodę alternatywnej produkcji paliwa do napędzania wojskowych i cywilnych pojazdów. Szacuje się, że w tamtym czasie syntetyczne paliwo wyprodukowane tą metodą stanowiło aż 9 proc. całkowitej produkcji paliw w Niemczech. Jednak po wojnie, ze względu na niską cenę ropy naftowej, zainteresowanie tą metodą było raczej sporadyczne i ograniczone do oczywistych przypadków, takich jak dysponująca ogromnymi pokładami węgla kamiennego RPA. W ostatnim dwudziestoleciu uwaga światowych koncernów petrochemicznych znów skupia się na tej alternatywnej metodzie produkcji paliwa. Okazuje się, że w przeciwieństwie do benzyny czy oleju napędowego syntetyczne paliwo pozbawione jest szkodliwych dodatków i nie wpływa negatywnie na katalizatory (poprawiające jakość spalin), których rola nie ogranicza się wyłącznie do przemysłu samochodowego.
Chleb z powietrza
Szacuje się, że katalizatory są używane w trakcie otrzymywania blisko 90 proc. wszystkich produktów chemicznych. Katalizator to substancja, która obniżając tzw. energię aktywacji (którą należy dostarczyć, aby dana reakcja zaszła), przyspiesza powstawanie pożądanego produktu. Fakt, że katalizator nie ulega trwałym przemianom i często może być wykorzystywany wielokrotnie, dopóki nie ulegnie zatruciu lub mechanicznemu uszkodzeniu, jest nie do przecenienia. W świecie przyrody kataliza to powszechnie występujące zjawisko – najdoskonalszymi bowiem katalizatorami są enzymy. Jednak w świecie chemii katalizatory pojawiły się dopiero w drugiej połowie XIX w., kiedy zaczęto je stosować w niektórych etapach produkcji kwasu siarkowego i azotowego.
Kamieniem milowym było opracowanie syntezy amoniaku przez Fritza Habera – urodzonego we Wrocławiu niemieckiego chemika o kontrowersyjnym życiorysie (współpracował z armią niemiecką przy produkcji i wykorzystaniu gazów bojowych). To on po raz pierwszy zaproponował syntezę amoniaku bezpośrednio z azotu i wodoru, przeprowadzoną przy udziale wysokiego ciśnienia oraz w obecności katalizatora żelazowego. Badania Habera, wspierane przez Carla Boscha, doprowadziły do zrewolucjonizowania ówczesnej syntezy chemicznej. Pojawiły się bardzo efektywne reaktory wysokociśnieniowe z wbudowanym katalitycznym złożem kontaktowym. Wspomniana synteza amoniaku miała kluczowe znaczenie nie tylko dla technologii chemicznej, ale również dla milionów ludzi borykających się z niedoborem żywności, ponieważ po raz pierwszy w historii można było rozpocząć produkcję nawozów sztucznych na ogromną skalę, co znacznie podniosło plony. W owym czasie proces ten określono nawet mianem chleba z powietrza, gdyż umożliwiał produkcję nawozów w dużych ilościach przy zachowaniu niskich kosztów.
Nawet obecnie stworzenie odpowiedniego reaktora katalitycznego nie jest proste. W wielkich koncernach chemicznych nad tym zadaniem pracują liczne zespoły badaczy, a kolejne metody są stale ulepszane. Katalizatory w takich reaktorach mają niekiedy postać długich włókien, które konstruuje się w taki sposób, aby miały jak największą powierzchnię właściwą, ponieważ to ona determinuje aktywność katalizatora. Aby włókna wytrzymały panujące w reaktorze wysokie ciśnienie i wysoką temperaturę, muszą być wyprodukowane z bardzo wytrzymałego materiału. Cały proces badań nowych katalizatorów rozpoczyna się w laboratorium chemii fizycznej. Ich celem jest dokładne zanalizowanie procesów na poziomie atomowym. Miarą sukcesu nowego katalizatora jest jego umiejętność do rozbijania wiązań między atomami, a następnie ponownego ich łączenia w innej konfiguracji. Droga do poznania praw rządzących tymi procesami wiedzie po granicy fizyki atomowej oraz chemii.
Od ponad 100 lat katalizatory mają kluczowe znaczenie dla człowieka. Warto tylko wspomnieć o tych stosowanych w samochodach napędzanych benzyną i olejem napędowym, dzięki którym tlenek węgla oraz węglowodory mogą ulec całkowitemu utlenieniu do nietoksycznego dwutlenku węgla, a szkodliwe tlenki azotu zostają jednocześnie zredukowane do azotu.
Warto tu zatrzymać się na chwilę nad problemem globalnego ocieplenia, które może być wywołane zwiększoną emisją dwutlenku węgla do atmosfery. Dzięki wysiłkowi chemików i fizyków powstały już katalizatory mogące przekształcić emitowany dwutlenek węgla w użyteczne produkty, np. metanol. Co istotne, prowadzone są nie tylko badania, w których wykorzystuje się dwutlenek węgla pochodzący wprost z elektrowni i elektrociepłowni (w gazach wylotowych występuje w wysokim stężeniu i łatwo go wyłapać), ale również wprost z powietrza, gdzie jego stężenie jest relatywnie niskie. W przypadku każdej technologii krytycznym elementem pozostaje opracowanie odpowiedniej instalacji oraz jej cena. Jeśli w przyszłości udałoby się ją obniżyć, to w połączeniu z innymi technikami oczyszczania spalin można by prowadzić dużo mniej szkodliwą gospodarkę energetyczną z użyciem węgla, co będzie miało niebagatelne znaczenie dla Polski i innych krajów o bogatych złożach tego surowca.
W epoce tworzyw sztucznych
Jednym z najbardziej znanych jest opracowany w latach 50. XX w. katalizator Zieglera-Natty, dzięki któremu możliwa stała się produkcja polimerów o uporządkowanej strukturze. Tworzywa sztuczne, które powstają w trakcie przetwarzania polimerów z udziałem odpowiednich dodatków, zrewolucjonizowały współczesny świat. Do ich zalet należy łatwość formowania, wytrzymałość mechaniczna, odporność na warunki atmosferyczne oraz przede wszystkim – lekkość. Choć przez lata były uważane za nieprzyjazne środowisku, to badania przy wykorzystaniu oceny cyklu życia (ang. Life Cycle Assessment, LCA), uwzględniającej emisję wszystkich zanieczyszczeń od momentu przygotowania produkcji aż po utylizację zużytego produktu, wskazują, że w niektórych przypadkach mogą być nawet bardziej ekologicznymi materiałami w porównaniu do aluminium czy szkła. Oczywiście czas biodegradacji klasycznego tworzywa sztucznego jest wyjątkowo długi (podobnie jak szkła). Jednak główną przewagą tego typu materiałów jest mniejsze zużycie energii podczas ich produkcji i przetwarzania, niewielka ilość toksycznych produktów ubocznych (tutaj najgorzej wypada aluminium) oraz możliwość łatwego recyklingu.
Tworzywa sztuczne to jednak nie tylko różnego rodzaju folie, butelki, elementy zabawek czy włókna, z których produkuje się odzież. To również niezwykle wytrzymałe materiały konstrukcyjne, używane w motoryzacji, budownictwie czy w nowoczesnych technologiach informatycznych. Wystarczy wspomnieć o najwytrzymalszych materiałach z kevlaru, superlekkich włóknach węglowych czy syntetycznych materiałach gumowych, bez których mielibyśmy duże problemy w podróżowaniu samochodem, a wspinaczka po górskich szlakach dużo częściej kończyłaby się kontuzjami.
Choć głównym substratem do produkcji polimerów są monomery uzyskiwane podczas petrochemicznej przeróbki paliw kopalnych, coraz częściej naukowcy spoglądają w stronę innych surowców – zwłaszcza tych pochodzenia naturalnego, które – w przeciwieństwie do ropy – są źródłem odnawialnym. Już dzisiaj z mączki kukurydzianej wytwarza się w pełni biodegradowalny polimer o nazwie polilaktyd (PLA), który jest coraz powszechniej używany do celów biomedycznych, m.in. do produkcji resorbowalnych nici chirurgicznych czy implantów dentystycznych. Niestety, użycie biodegradowalnych tworzyw sztucznych z surowców roślinnych na dużą skalę wciąż budzi niepokój badaczy, ponieważ wielkotonażowa produkcja tego typu materiałów mogłaby – wbrew pozorom – naruszyć równowagę wrażliwych ekosystemów, zwłaszcza jeśli doszłoby do wycinki lasów kosztem pól uprawnych. Z kolei przy zachowaniu obecnej powierzchni pól uprawnych oraz w sytuacji nierozwiązanych problemów z niedoborami żywności w krajach Trzeciego Świata uprawa zbóż dla potrzeb produkcji polimerów biodegradowalnych budzi uzasadnione obawy i sprzeciw.
W trosce o żołądek i higienę
Wpływ syntezy chemicznej na wydajność produkcji rolnej jest niepodważalny. Nie chodzi wyłącznie o wytwarzanie nawozów sztucznych, które uzupełniają niedobory pierwiastków w glebach uprawnych, ale również o środki ochrony roślin. Przez wiele lat nikt nie zwracał uwagi na negatywne skutki środowiskowe związane ze stosowaniem konkretnych syntetycznych herbicydów czy insektycydów. Doniesienia o ich zabójczym wpływie na pszczoły i inne owady zapylające sprawiły, że zaczęto zastanawiać się nad ich toksycznością nie tylko dla owadów, ale również ludzi. Obecnie całe rzesze specjalistów pracują nad syntezą nowych, bardziej przyjaznych środowisku środków ochrony roślin, np. funkcjonalizowanych cieczy jonowych.
Nie należy zapominać również o różnego rodzaju dodatkach, barwnikach, konserwantach, polepszaczach smaku czy słodzikach. Badania nad ich wpływem na zdrowie człowieka wciąż trwają, lecz niepokojące doniesienia każą uważnie spoglądać na etykiety umieszczone na opakowaniach produktów. Najtrafniejsza jest tu reguła „im mniej, tym lepiej”, choć nie należy popadać w panikę. W końcu ogromna ilość tych substancji została przebadana i zatwierdzona do użycia w przemyśle spożywczym.
Osobną historię stanowią związki chemiczne, których używa się do produkcji środków higieny. Wystarczy wspomnieć o mydłach i szamponach, w których znajdują się surfaktanty syntetyczne. Pierwszy całkowicie syntetyczny środek myjący wyprodukowano dopiero w 1916 r. w Niemczech podczas I wojny światowej, kiedy boleśnie dał się odczuć brak tłuszczów zwierzęcych. Z kolei w Stanach Zjednoczonych badania na tym polu rozwinięto podczas II wojny światowej, kiedy Amerykanie zostali zmuszeni do poszukiwania nowych detergentów, które dobrze sprawdzałyby się w wodzie o niskiej temperaturze. Współcześnie do prania używa się już wyłącznie syntetycznych detergentów z dodatkiem enzymów.
Synteza na najwyższym poziomie
Kwintesencją syntezy chemicznej jest produkcja leków. Nie byłoby jednak syntetycznych medykamentów, gdyby nie udoskonalono metod wyodrębniania pojedynczych związków organicznych ze smoły węglowej (otrzymywanej w wyniku odgazowania węgla) i nie wypracowano elementarnych technik syntezy organicznej, czego dokonali po raz pierwszy niemieccy producenci barwników pod koniec XIX w. Dopiero dzięki nowym metodom zaczęto syntezować amfetaminę (badaną jako środek przeciwko astmie, ostatecznie stosowaną jako środek leczący narkolepsję), barbital i fenobarbital (o działaniu uspokajającym i nasennym). Na początku XX w., w związku z powszechnie występującymi zapaleniem płuc, gruźlicą, grypą czy biegunką rozpoczęto poszukiwania nowych leków. Jednym z kluczowych wydarzeń było odkrycie pierwszego antybiotyku – penicyliny – przez Alexandra Fleminga w 1928 r. Od tamtej pory uczeni (w tymi wielu zdobywców Nagrody Nobla) rozwijają kolejne metody otrzymywania coraz bardziej złożonych związków chemicznych. Naukowcy swoją pracę często rozpoczynają przy użyciu technik komputerowych, dzięki którym projektują leki in silico oraz modelują nowe cząsteczki. Droga od pierwszej syntezy substancji czynnej w laboratorium do wprowadzenia leku na rynek jest bardzo długa. Wynika to przede wszystkim z długotrwałych badań klinicznych. Pacjenci muszą mieć pewność, że kupiony przez nich środek leczniczy nie będzie wywoływać poważnych skutków ubocznych.
Zupełnie inaczej sytuacja wygląda, niestety, w przypadku popularnych ostatnimi laty dopalaczy. Z chemicznego punktu widzenia to właściwie silnie zanieczyszczone narkotyki, których skład chemiczny jest nieznany, przez co utrudniona jest jego analiza w laboratorium, a co za tym idzie – wykrycie w organizmie ludzkim. A możliwości otrzymywania zupełnie nowych lub podobnych związków chemicznych są niemal nieograniczone. Oczywiście najpewniej istnieje granica, po przekroczeniu której stworzenie nowych substancji będzie nieopłacalne lub wręcz niewykonalne w domowych warunkach. Wydaje się ona jednak bardzo odległa. To zdecydowanie opóźnia pracę analityków i toksykologów w laboratoriach, a co za tym idzie – działania władzy ustawodawczej i organów ścigania.
Czas na zieloną chemię
Obecnie produkcja chemikaliów staje się zarówno bardziej przyjazna środowisku, jak i bardziej ekonomiczna. W myśl zasad zielonej chemii naukowcy i przedstawiciele przemysłu dążą do jak najefektywniejszego wykorzystania ciepła i energii, stosują mniej toksyczne, ale równie użyteczne odczynniki chemiczne oraz posiłkują się coraz nowocześniejszymi katalizatorami. Zastosowanie ekologicznych rozwiązań przez zakłady zajmujące się syntezą chemiczną może nie tylko pomóc środowisku naturalnemu, ale również przedsiębiorcom – poprzez polepszenie wizerunku firmy i budowanie jej marki. Ostatecznie to nie chemia jest zagrożeniem dla środowiska naturalnego, ale sposób, w jaki z niej skorzystamy.