Творча робота на тему: «Хімія смартфону»

Про матеріал

Оскільки в шкільному курсі хімії майже нічого не розповідають про сучасні гаджети, метою творчої роботи є опрацювати науково-популярні видання та джерела інтернету, і дати відповіді на питання: Який хімічний склад смартфонів? З яких хімічних елементів складається айфон? Як одержують матеріали для смартфонів? У чому полягає економічна та екологічна проблеми виробництва мобільних пристроїв? Про що попереджає користувачів смартфонів нова версія Періодичої системи хімічних елементів?

Перегляд файлу

Навчально-методичний центр освіти м. Львова

Міський конкурс проектно-дослідницьких і реферативних робіт з хімії «Хімічні реалії» для учнів 9-10-х класів ЗЗСО

Науково-популярна номінація

Конкурсна робота

на тему:

«Хімія смартфону»

Виконала Горбацьо Соломія,
учениця 9-А класу

ліцею “Галицький” ЛМР.

Керівник Вербинська О.С.,

заступник директора з НВР, вчитель хімії
ліцею “Галицький” ЛМР

Львів-2019

ЗМІСТ

Вступ

Основна частина

Хімічний склад смартфонів.

З яких хімічних елементів складається iPhone?

Як одержують матеріали для смартфонів?

Економічна та екологічна проблеми виробництва мобільних пристроїв.

Нова версія Періодичої системи хімічних елементів – кольорове попередження користувачам смартфонів.

Висновки.

Список використаних джерел.

ВСТУП

Як відомо, 2019 рік проголошено Генеральною асамблеєю ООН Міжнародним роком Періодичної таблиці хімічних елементів у зв’язку з 150-річчям з дня створення цієї таблиці геніальним російським ученим Дмитром Івановичем Менделєєвим. У рамках урочистостей з цього приводу Європейське хімічне товариство опублікувало абсолютно нову версію періодичної таблиці елементів (Додаток 1). Площа секторів таблиці розмальована кольорами так, щоб кожний елемент відображав свою кількість, що зумовлена активним використанням цих елементів, за логарифмічною шкалою. Третина елементів нової періодичної системи має символ смартфону, а це говорить, що значна кількість відомих нам хімічних елементів міститься в мобільних пристроях.

Сьогодні смартфон ̶ це дуже звична річ, і є він у кишені у кожного другого з нас! Проте мало хто з юнаків і дівчат знають, а з чого і де він був зроблений. Сучасні смартфони складаються із великої кількості компонентів, для виробництва яких використовують різні ресурси. На думку вчених, деякі із них доступні в обмеженій кількості та навіть перебувають під загрозою зникнення. Щороку у світі викидають сотні мільйонів стільникових телефонів і смартфонів, тому що купують нові моделі. Зокрема у США, це продукція вагою 14 000 тонн, яка містить 2100 тонн міді, 46 тонн срібла, 3,9 тонни золота, 2 тонни паладію і 0,004 тонни платини. Насправді всі компоненти і хімічні речовини у складі смартфонів дуже цінні, оскільки для їх вилучення з природних матеріалів довелося затратити величезну кількість енергії, води та праці.

З іншого боку, існує безліч публікацій про небезпечний вплив смартфонів на концентрацію уваги, рівень стресу та якість спілкування в реальному житті. Науковці стверджують, що смартфони можуть бути джерелом токсичних хімічних речовин.

Тому знання про хімічний склад і властивості компонентів смартфонів можуть бути не тільки дуже цікавими, але й надзвичайно корисними в нашому повсякденному житті. Деякі відомості про виробництво сучасних смартфонів, очевидно, примусять серйозно задуматись над світовою проблемою використання природніх ресурсів ̶ джерел хімічних елементів, а окремі знання про властивості токсичних хімічних сполук ̶ допоможуть уникнути проблем із здоров'ям.

Оскільки в шкільному курсі хімії майже нічого не розповідають про сучасні гаджети, метою моєї конкурсної роботи є опрацювати науково-популярні видання та джерела інтернету, і дати відповіді на питання: Який хімічний склад смартфонів? З яких хімічних елементів складається айфон? Як одержують матеріали для смартфонів? У чому полягає економічна та екологічна проблеми виробництва мобільних пристроїв? Про що попереджає користувачів смартфонів нова версія Періодичої системи хімічних елементів?

ОСНОВНА ЧАСТИНА

Хімічний склад смартфонів.

Екрани смартфонів виготовляють з алюмосилікатного скла, яке проходить процедуру зміцнення. Скло поміщають в розчини калійних солей і витримують. Компанія Apple працює над створенням нового покоління смартфонів з дуже міцними сапфіровими стеклами. Природний сапфір - це кристали оксиду алюмінію, в матрицю яких вбудовані іони Феруму і Титану. Вони надають каменю синій колір. Такі скла з міцністю природного сапфіру (9 за шкалою Мооса) встановлюють в дорогих моделях фотоапаратів і наручних годинників, в сканерах штрих-кодів і в камері iPhone. Подряпати їх важко. Але зі смартфонами - це надто дорого!

Щоб зробити екран чутливим до дотику пальців, його покривають найтоншої прозорою плівкою з оксидів індію (90%) і оксиду стануму (10%), яка проводить електричний струм. А крихітні добавки Празеодиму, Тербію, Гадолінію, Ірію, Європію і Диспрозію роблять екран кольоровим і захищають телефон від дії ультрафіолетових променів.

Телефон не працюватиме без джерела живлення. Зазвичай це літій-іонний акумулятор. У ньому використовують оксиди літію і кобальту в ролі катода -, а також вуглець або графіт в ролі анода. У деяких акумуляторах кобальт замінений марганцем. І майже всі акумулятори в смартфонах укладені в корпус з алюмінію.

З міді, золота, срібні, нікелю та їх сплавів виготовляють «проводи», що з'єднують мікроелектричні компоненти начинки смартфону. На виготовлення крихітних конденсаторів йде тантал. Конденсатори накопичують і регулюють електрику.

Мозок смартфона - мікрочіп, який як і раніше роблять на підкладці з чистого кремнію. Тут споруджується конструкція з напівпровідників, до складу яких входять Оксиген, Стибій, Арсен, Фосфор, Бор, Галій.

Для виготовлення мікрофона, динаміка, а також вібруючих деталей використовують матеріали, що містять неодим, бор, залізо, диспрозій і празеодим. Саме зі сплаву «неодим-залізо-бор» часто виготовляють постійні магніти.

Корпуси смартфонів бувають металевими і пластиковими. Перші роблять з легких сплавів алюмінію з магнієм - ці смартфони коштують дорожче. Більш поширений пластиковий корпус зроблений з вуглецевого пластику з добавкою нікелю і брому. Бром і бромовані антипірени захищають пластик від вогню, а нікель екранує зайве електромагнітне випромінювання.

Отже, в смартфоні є більше 30 хімічних елементів (за зростанням порядкового номера в таблиці Менделєєва): Li, B, C, О, Mg, Al, Si, P, K, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, As, Br, Y, Pd, Ag, In, Sn, Sb, La, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ta, Au. (Додаток 2).

Суцільна хімія! І все це багатство (один смартфон в середньому містить майже 300 мг срібла і 30 мг золота) відправляється користувачами на смітники.

З яких хімічних елементів складається iPhone?

iPhone – один з найпопулярніших смартфонів. Apple презентувала його найпершу модель у 2007 році, і відтоді продала понад 1,2 мільярда екземлярів. Сенсорний дисплей, акуратний металевий корпус, на якому зображене фірмове яблуко, та жодних кнопок – дизайн найпопулярнішого продукту від Apple вже давно усі знають. iPhone – технологічно складний виріб. Він складається з великої кількості мікросхем, процесору, батареї тощо. А усе це, в свою чергу, - з хімічних елементів.

Як зазначає видання Motherboard більшу частину телефона iPhone 6 з об’ємом пам’яті 16 Гігабайт, що важить 129 грамів, складають Алюміній та Ферум – 38,5% від загальної маси iPhone. Ще 17,1% припадає на Купрум, Кобальт, Хром та Нікол. Літій (що використовується, зокрема, для виробництва акумуляторів телефонів), становить 0,67% від загальної маси iPhone. Значну частку становлять також Карбон (15,4 %) та Силіцій (6,3%).

Більша частина iPhone 6 є досить дешевою: 24% відсотки маси становить Алюміній. Це дуже легкий метал, його вартість - лише один долар за фунт (0,454 кг).

До складу смартфона входять також Оксиген, Гідроген та Карбон. Вони наявні у різноманітних сплавах, що використовуються у телефоні. Так, наприклад, станум оксид слугує провідником для сенсорного екрану, алюмінію оксид входить до складу корпусу телефона, а силіцій оксид використовують у «мозку» iPhone - мікрочіпі. Батарея виготовлена з літію, кобальту та алюмінію. У мікрофоні телефона наявний нікель.

Дорогоцінні метали також використовуються у виробництві "яблучних" телефонів, проте їх дуже мало - iPhone 6 містить усього 0,015 г золота, 0,66 г олова та 0,025 г танталу. Більше того, по мірі того, як смартфони еволюціонують, кількість золота у їхньому складі стає усе незначнішою – бо процесори зменшуються та покращуються.

У книзі «The One Device: The Secret History of the iPhone», яка написана Брайаном Мерчантом до 10-річного ювілею Iphone, представлена таблиця про хімічний склад IPhone 6 (Додаток 3 укр). Цікаво, що при ціні самого смартфона в сотні доларів вартість хімічних елементів в його складі становить всього один долар. Різниця в сотні разів!

Звідки походять матеріали для iPhone?

Усі складники iPhone, дорогоцінні чи ні, спочатку мають видобути з породи шахтарі. Згодом з них потрібно виготовити сплави, або ж навпаки, розплавити їх, щоб отримати пластик. Apple не деталізує, звідки вона отримує необхідні для виробництва корисні копалини, але у різні роки висувалося багато припущень.

Алюміній. Алюміній – найпоширеніший метал на землі. Він був невід’ємною частиною попередніх моделей iPhone, та саме з нього, за чутками, зроблять новий "бюджетний" смартфон. Джерелом алюмінію є боксити. І хоча видобуток цього металу не надто небезпечний для робітників, що мають спеціальний захисний одяг, проте він становить загрозу навколишньому середовищу, адже спустошує природний ландшафт. Для того, щоб отримати одну тонну алюмінію, потрібно чотири тони бокситу, що призводить до значної кількості відходів.

Кобальт. Значна частина кобальту, що раніше входив до складу батареї iPhone, походила з Демократичної Республіки Конго. У 2016 році працівники газети Washington Post дізналися, що частина працівників на тамтешніх шахтах працює цілодобово, з аматорським приладдям та без захисного одягу. Видобуток практично не регулювався, а серед шахтарів були як дорослі, так і діти. Після появи цієї новини, Apple пообіцяла провести розслідування умов праці, та додала кобальт до списку матеріалів, які потребують аудиту., а згодом припинила купувати цей метал в усіх неофіційних родовищ регіону.

Тантал. Цей матеріал тривалий час походив здебільшого з ДРК, де повстанці та армія змушували дітей та рабів працювати у шахтах, а потім спонсорували коштами, отриманими за видобуті матеріали, свої насильницькі дії. Але компанія Apple виправила це становище.

Рідкісні матеріали. Значна кількість продуктів Apple виготовляється з рідкісних матеріалів на кшталт церію (наприклад, розчин для полірування сенсорних екранів та кольорове скло), проте видобуток таких копалин є складним та може становити токсичну загрозу. Більшість з них походить з Внутрішньої Монголії, автономного району на півночі Китаю. Там побічні продукти від їхнього видобутку навіть утворили озеро – настільки сірого кольору та сповнене токсичними відходами, що видання BBC назвало його "найгіршим місцем на землі".

Економічна та екологічна проблеми виробництва мобільних пристроїв.

Сьогодні на планеті смартфони мають близько двох мільярдів людей, і вони змінюють свій поточний девайс на новий приблизно кожні 11 місяців. Старі гаджети зазвичай опиняються в далекому кутку шухляди або їх просто викидають на сміття. Лише 10% пристроїв потрапляють на переробку. Якби старі гаджети збирали для утилізації, а не викидали, вони б могли стати вигідним постачальником сировини. З одного мільйона гаджетів можна видобувати близько 16 тонн міді, 350 кг срібла, 34 кг золота та 15 кг паладію.

Головна проблема сьогодні – у відсутності безпечного та економічного способу видобувати матеріали з чіпів, екранів та корпусів. Значна частка електронних відходів нині транспортується до Китаю чи Африки, де низькооплачувані робітники та діти вручну утилізують девайси. І часто для цього використовуються небезпечні хімічні речовини, від яких люди слабо захищені. А переробка гаджетів у високотехнологічних країнах економічно невигідна. Наприклад, в Австралії використовують промислову плавку, яка дорога та шкодить довкіллю.

Масштаби проблеми досить великі – китайське місто Гію заявило, що воно стало найбільшим звалищем електронних відходів у світі. Це викликає проблеми зі здоров’ям у мешканців, отруює ґрунт, річки та повітря токсичними елементами. А в Кот-д’Івуарі ситуація стала настільки критичною, що електронні компоненти та інше сміття просто плавають на поверхні місцевих водойм. Жителі міста Абіджан кажуть, що довго знаходитися на березі річки неможливо – від неї йде нестерпний сморід.

Експерти звертають увагу ще на споживання води. Підраховано, що для видобутку матеріалів для одного IPhone потрібно добути і переробити 34 кілограми руди. Переробка одного кг руди в середньому вимагає 3 літри чистої води. Таким чином, для виробництва IPhone потрібно 100 л води, не рахуючи випитого робітниками. У компанії Apple підраховують число проданих IPhone всіх моделей і за всіх часів і, за даними самої компанії, це число перевалило за 1 мільярд ще влітку 2016 року. З урахуванням 220 млн. IPhone, проданих в 2017 році (дані statista.com), до кінця 2018 року світ отримав вже півтора-мільярдний айфон. Помножимо на 100 літрів і отримаємо 150 млрд. літрів чистої води.

Учені стверджують, що було б добре, якби ми не змінювали наші гаджети так часто, як сьогодні. Але змінити поведінку споживачів дуже складно. На думку вченого Вієна Сахавалла з Університету Нового Південного Уельсу, треба будувати мікрофабрики. Вони повинні бути в кожному місті та допоможуть безпечно виокремити з девайсів цінні ресурси. Такі фабрики повинні бути високо автоматизовані, щоб люди якомога менше стикалися з токсичними хімічними речовинами. Для цього, наприклад, мобільник розбиратимуть на частини ударом високовольтного струму. Роботизовані руки потім зберуть до купи мікросхеми та перемістять їх у піч. Там за допомогою точного контролю температури вдасться розділити метали на окремі компоненти. Уся фабрика повинна бути за розміром не більше морського контейнера.

Нова версія Періодичої системи хімічних елементів – кольорове попередження користувачам смартфонів.

Нова версія періодичної таблиці хімічних елементів (Додаток 1), опублікована Європейським хімічним товариством з приводу відзначення у 2019 році 150-річчя Періодичного закону, складається із зафарбованих різними кольорами секторів. Площа цих секторів за логарифмічною шкалою відображає кількість хімічного елемента, яка може змінитись внаслідок активного використання,. Третина елементів нової періодичної системи має символ смартфону, а це говорить, що значна кількість відомих нам хімічних елементів міститься в мобільних пристроях. Для позначення вразливості елементів кожний сектор нової таблиці має різний колір. З 90 природніх елементів 31 мають символ смартфону. У них включені всі чотири “конфліктних” елементи та ще шість з прогнозованими термінами використання менш як 100 років.

У більшості випадків елементи не втрачаються, але по мірі їх використання вони ніби розпорошуються та їх стає набагато складніше відновити. Червоний колір показує, що розпорошення зробить елементи набагато менш доступними через 100 років або навіть менше – це Гелій (He), Аргентум (Ag), Телур (Te), Галій (Ga), Германій (Ge), Стронцій (Sr), Ітрій (Y), Цинк (Zn), Індій (In), Арсен (As), Гафній (Hf) і Тантал (Ta).

Наприклад, Гелій використовується для охолодження магнітів в МРТ-сканерах і для розбавлення кисню у балонах для дайвінгу. Незамінні та вкрай важливі стрижні в ядерних реакторах використовують гафній. Солі стронцію додаються до феєрверків і сигнальних ракет для отримання яскравих червоних кольорів. Ітрій є складовою частиною лінз камер, що робить їх ударостійкими та жароміцними. Він також використовується в лазерах і сплавах. Галій використовується для виготовлення якісних дзеркал, світлодіодів і сонячних батарей. Індій теж пофарбований в червоний колір. Кожен сенсорний екран містить прозорий провідний шар оксиду індію та олова. Індію досить багато, але він вже дуже розпорошений. Він є побічним продуктом виробництва цинку, але це джерело буде вичерпане протягом приблизно 20 років. Якщо людство не буде вживати будь-яких заходів, щоб зберегти поточні запаси, тоді ціна на індій почне швидко зростати.

Помаранчеві та жовті сектори нової періодичної таблиці передбачають проблеми, викликані активним використанням цих елементів. Зелений означає, що елементів доступно багато – у тому числі Оксигену (O), Гідрогену (H), Алюмінію (Al) і Кальцію (Ca). Чотири елементи – Станум (Sn), Тантал (Ta) Вольфрам (W) і Аурум (Au) –зафарбовані в чорний колір, тому що вони часто є “конфліктними”; тобто іх видобувають у шахтах, де ведуться війни за власність. Усіх їх можна видобувати безпечнішим та мирним шляхом, тому їх чорний колір має на меті нагадати, що виробники повинні ретельно простежувати їх походження. Дуже важливо усвідомлювати, щоб при видобутку цих речовин не загинули люди.

ВИСНОВКИ

У конкурсній роботі встановлено:

Сучасні смартфони складаються із великої кількості компонентів, для виробництва яких використовують різні ресурси.
Всі компоненти і хімічні речовини у складі смартфонів дуже цінні, оскільки для їх вилучення з природних матеріалів довелося затратити величезну кількість енергії, води та праці
У виробництві смартфонів використовується більше 30 хімічних елементів:

Li, B, C, О, Mg, Al, Si, P, K, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, As, Br, Y , Pd, Ag, In, Sn, Sb, La, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy, Ta, Au.

Величезні зусилля учених всього світу спрямовуються на пошук альтернативних матеріалів, що містять ті хімічні елементи, яких вдосталь на Землі.
.Для запобігання повного зникнення з природи різних хімічних елементів вчені закликають людей своєчасно утилізувати старі телефони. Використані гаджети можуть стати вигідними постачальниками сировини. З одного мільйона гаджетів можна видобувати близько 16 т міді, 350 кг срібла, 34 кг золота та 15 кг паладію.
З метою запобігання контакту людей з токсичними хімічними речовинами утилізацію гаджетів у майбутньому планують проводити на сучасних роботизованих мікрофабриках.
Нова версія періодичної таблиці хімічних елементів попереджає про витрачання хімічних елементів з позначкою смартфон у недалекому майбутньому та закликає робити все можливе, щоб зберегти 90 дорогоцінних будівельних блоків - природних хімічних елементів, з яких складається наш дивовижний та різноманітний світ.
Через проблему відсутності безпечного та економічного способу видобувати матеріали з чіпів, екранів та корпусів смартфонів багато предметів і технологій, які ми зараз сприймаємо як належне, можуть стати реліквією вже через декілька поколінь.