§ 35. Зелена хімія (Григорович)

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

405. У додаткових джерелах знайдіть приклади реалізації принципів зеленої хімії та підготуйте коротке повідомлення.

Зелена хімія активно впроваджується у сучасне виробництво через кілька важливих напрямів:

Використання відновлюваної біосировини: замість нафти для виробництва полімерів беруть кукурудзяний або картопляний крохмаль. З нього виготовляють біорозкладний пластик (полімолочну кислоту, PLA), з якого роблять одноразовий посуд і пакування. Такий пластик розкладається у ґрунті без утворення токсичних залишків.

Заміна токсичних розчинників безпечними: під час вилучення кофеїну з кавових зерен або екстракції рослинних олій шкідливі хлорорганічні сполуки (дихлорметан) успішно замінюють надкритичним вуглекислим газом ( $C O_{2}$ ). Він не залишає шкідливих слідів і повертається в технологічний цикл.

Каталітичний тристадійний синтез ібупрофену: раніше відомий протизапальний препарат добували за шість стадій із виходом корисного продукту менше 40%. Нова каталітична схема складається лише з трьох стадій, завдяки чому атомна ефективність зросла до 77%, а маса шкідливих відходів зменшилася в рази.

Біопаливо другого покоління: біоетанол та біодизель одержують зі стебел рослин і відходів деревообробки. Спалювання такого пального не збільшує вміст вуглекислого газу в атмосфері, бо виділяється рівно стільки $C O_{2}$ , скільки рослини поглинули під час фотосинтезу.

406. Поясніть значення кожного з наведених у параграфі принципів зеленої хімії. Наведіть приклади.

1) Prevent wastes (Попередження утворення відходів): набагато вигідніше запобігти виникненню відходів на етапі розробки процесу, ніж потім витрачати ресурси на їхнє знешкодження та переробку. Прикладом є проведення прямого синтезу без промивання токсичними розчинами.

2) Renewable materials (Відновлювані матеріали): вихідну сировину й допоміжні матеріали слід добувати з відновлюваних біологічних ресурсів, а не з вичерпних викопних копалин. Прикладом є синтез біоетанолу з рослинної біомаси замість нафтового етилену.

3) Omit derivatization steps (Уникання побічних стадій): потрібно зменшувати або зовсім усувати тимчасові модифікації молекул (блокування й розблокування функціональних груп), оскільки це веде до додаткових відходів. Прикладом є пряме окиснення речовин за допомогою селективних біоферментів.

4) Degradable chemical products (Біорозкладність продуктів): синтезовані хімічні речовини після закінчення використання мають легко розкладатися на безпечні сполуки під дією бактерій і природних чинників. Прикладом слугують екологічні пральні порошки на рослинній основі та посуд із кукурудзяного крохмалю.

5) Use safe synthetic methods (Безпечні методи синтезу): під час синтезу необхідно використовувати та утворювати лише ті речовини, які мають мінімальну небезпеку для довкілля й персоналу. Прикладом є заміна токсичного бензену менш отруйними розчинниками або проведення реакцій у водному середовищі.

6) Catalytic reagents (Каталітичні процеси): селективні каталізатори багаторазової дії значно переважають звичайні реагенти, адже вони спрямовують реакцію потрібним шляхом і самі не витрачаються. Прикладом є ферментативний синтез ліків у м’яких умовах.

7) Temperature, pressure ambient (М’які температурні умови та тиск): хімічні процеси бажано проводити за температури й тиску, максимально наближених до кімнатних, щоб мінімізувати витрати електроенергії чи палива. Прикладом є низькотемпературне біологічне бродіння за температури $25 - 35^{\circ} C$ .

8) In process monitoring (Моніторинг у реальному часі): необхідно встановлювати аналітичні датчики безпосередньо всередині реакторів для своєчасного виявлення небезпечних змін або токсичних побічних продуктів. Прикладом є онлайн-спектроскопія та оптичні сенсори в промислових колонах.

9) Very few auxiliary substances (Мінімум допоміжних речовин): треба зводити до мінімуму використання розчинників, сорбентів та розділювачів або повністю відмовлятися від них. Прикладом є твердофазні реакції або використання надкритичного флюїду $C O_{2}$ .

10) E-factor, maximize feed in product (Урахування Е-фактора): потрібно обирати реакції з високим виходом цільової сполуки, де маса побічних речовин наближається до нуля. Прикладом є гідратація етену з утворенням єдиного продукту — етанолу.

11) Low toxicity of chemical products (Низька токсичність речовин): кінцеві синтезовані сполуки мають бути безпечними для живих організмів. Прикладом є заміна отруйних свинцевих білил у фарбах на безпечний титан(IV) оксид.

12) Yes, it is safe (Запобігання аваріям): сполуки та їхні агрегатні форми слід обирати так, щоб унеможливити займання, вибухи чи отруйні витоки. Прикладом є переведення вибухонебезпечних сухих речовин у розчини, суспензії чи спресовані гранули.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

407. Поясніть принципові відмінності між відносним виходом продукту реакції від теоретичного та Е-фактором. Відповідь проілюструйте прикладами.

Відносний вихід продукту реакції ( $η$ ) показує ефективність лише конкретної хімічної взаємодії: це відношення маси фактично одержаного цільового продукту до теоретично розрахованої маси за хімічним рівнянням (у відсотках). Він не враховує побічні продукти, розчинники та інші відходи.

Е-фактор є загальним екологічним показником усього виробничого процесу. Його обчислюють як відношення маси всіх відходів (побічних речовин, використаних розчинників, фільтрувальних матеріалів) до маси одержаного цільового продукту.

Приклад: якщо під час добування $1 кг$ лікарського препарату практичний вихід становить 95%, на папері це здається чудовим показником. Проте якщо для очищення й проведення синтезу утворилося і потрапило у відходи $60 кг$ побічних солей і забруднених розчинників, то Е-фактор дорівнює:
$Е - фактор = \frac{60 кг}{1 кг} = 60$
Отже, реакція може мати високий відносний вихід, але за рахунок багатостадійності й великої маси відходів залишатися екологічно «брудною».

408. Наведіть приклад хімічної реакції з атомною ефективністю 100 % за участю лише неорганічних речовин.

Усі реакції сполучення мають теоретичну атомну ефективність 100%, оскільки в них утворюється лише один цільовий продукт, і всі атоми реагентів входять до його складу.

Приклад — гідратація сульфур(VI) оксиду з утворенням сульфатної кислоти:
$S O_{3} + H_{2} O \to H_{2} S O_{4}$

У цій реакції відсутні побічні речовини, тому маса всіх атомів реагентів повністю переходить у цільовий продукт.

409. Обчисліть атомну ефективність нейтралізації хлоридної кислоти натрій гідроксидом, якщо цільовим продуктом є натрій хлорид. Чи можливо зменшити такий показник для цієї реакції?

Дано:

Рівняння реакції: $NaOH + HCl \to NaCl + H_{2} O$
Цільовий продукт: $NaCl$
$M (NaCl) = 23 + 35, 5 = 58, 5 г / моль$
$M (H_{2} O) = 2 \cdot 1 + 16 = 18 г / моль$

Знайти:

$АЕ - ?$

Розв’язання:

1) Запишемо формулу для обчислення атомної ефективності:
$Атомна ефективність = \frac{M ( цільового продукту )}{\sum M ( усіх продуктів реакції )} \cdot 100%$

2) Обчислимо сумарну молярну масу всіх утворених продуктів:
$\sum M (всіх продуктів) = M (NaCl) + M (H_{2} O) = 58, 5 г / моль + 18 г / моль = 76, 5 г / моль$

3) Розрахуємо атомну ефективність:
$АЕ = \frac{58 , 5 г / моль}{76 , 5 г / моль} \cdot 100% \approx 76, 47%$

Теоретична атомна ефективність за стехіометричним рівнянням є сталою величиною і становить близько $76, 5%$ . Зменшитися реальний показник може на практиці, якщо взяти один із реагентів у надлишку, використати забруднену сировину з баластними домішками або допустити перебіг небажаних побічних реакцій.

Відповідь: $Атомна ефективність \approx 76, 5%$ . Зменшити цей показник практично можна за умов надлишку вихідних речовин або наявності домішок у реагентах.

410. Поясніть, у який спосіб дотримання принципів зеленої хімії узгоджується з концепцією сталого розвитку.

Концепція сталого розвитку вимагає передати планету майбутнім поколінням у стані, придатному для якісного життя, без вичерпаних ресурсів і без тяжких екологічних криз. Зелена хімія безпосередньо втілює цю ідею в промисловість. Вона замінює викопне паливо й вичерпні мінерали відновлюваною сировиною рослинного походження, оптимізує енергетичні витрати заводів і усуває утворення шкідливих відходів ще на стадії проектування процесів.

411. Виберіть будь-яке виробництво хімічної чи металургійної галузі (за можливістю таке, підприємства якої є у вашій місцевості). Оцініть його за принципами зеленої хімії, наведеними в параграфі. Запропонуйте шляхи модернізації.

Об’єкт оцінювання: виробництво чавуну та сталі (чорна металургія).

Оцінка за принципами зеленої хімії:

1) Попередження утворення відходів (Prevent wastes): утворюються мільйони тонн твердих шлаків і пилу, а також колосальні обсяги вуглекислого газу $C O_{2}$ .

2) Відновлювані матеріали (Renewable materials): виробництво повністю спирається на невідновлювані ресурси — залізну руду та викопне кам’яне вугілля (кокс).

3) Е-фактор (E-factor): має дуже високе значення через велику масу відвальних порід, шлаків і газових викидів на тонну готової сталі.

Шляхи модернізації:

1) Перехід на водневу металургію: заміна коксу «зеленим» воднем, добутим електролізом води за допомогою сонячної або вітрової енергії. Це зводить викиди вуглекислого газу до мінімуму, адже побічним продуктом стає звичайна водяна пара.

2) Повна безвідходна переробка шлаків: використання всіх силікатних шлаків як сировини для виробництва цементу, асфальтобетону та будівельних блоків.

3) Впровадження замкненого циклу охолодження води та вловлювання пилу сучасними рукавними фільтрами.

412. Проаналізуйте таблицю й дайте відповіді на запитання.

Галузь	Обсяг виробництва, тонн/рік	Е-фактор
Нафтопереробна	$1 0^{6} - 1 0^{8}$	$0, 1$
Основний хімічний синтез	$1 0^{4} - 1 0^{6}$	$1 - 5$
Тонкий хімічний синтез	$1 0^{2} - 1 0^{4}$	$5 - 10$
Фармацевтичний синтез	$10 - 1 0^{3}$	$25 - 100$

• Як ви вважаєте, які речовини є продуктами галузей основного, тонкого та фармацевтичного синтезу?

Продуктами основного хімічного синтезу є багатотоннажні базові неорганічні та органічні речовини: сульфатна кислота $H_{2} S O_{4}$ , натрій гідроксид $NaOH$ , мінеральні добрива (селітра, карбамід), етилен, етанол, оцтова кислота.

Продуктами тонкого хімічного синтезу є малотоннажні сполуки високого ступеня чистоти: пестициди, харчові ароматизатори, синтетичні барвники, фотореагенти, добавки до пального та косметичні компоненти.

Продуктами фармацевтичного синтезу є активні фармацевтичні інгредієнти та готові ліки: антибіотики, знеболювальні, вітаміни, противірусні та протипухлинні препарати.

• Запропонуйте пояснення значень Е-фактора для кожної галузі.

У нафтопереробній галузі Е-фактор становить усього $0, 1$ , тому що нафта розділяється на фракції майже повністю, і практично кожен компонент стає корисним продуктом (бензин, дизель, мазут, бітум).

В основному хімічному синтезі Е-фактор дорівнює $1 - 5$ : це великотоннажні одностадійні процеси з високою вибірковістю каталізаторів, де кількість побічних відходів контрольована і порівняно невелика.

У тонкому хімічному синтезі Е-фактор зростає до $5 - 10$ , оскільки для отримання чистих специфічних молекул використовують кілька стадій і більше розчинників.

У фармацевтичному синтезі Е-фактор досягає найбільших значень ( $25 - 100$ ), тому що виробництво ліків — це надзвичайно складні багатоетапні ланцюжки синтезу, де на кожному кроці витрачаються розчинники, кислоти, луги, сорбенти й фільтри для досягнення абсолютної медичної чистоти продукту.

РЕФЛЕКСУЄМО ЩОДО ТЕМИ

• Поверніться на початок розділу (с. 232) і прочитайте перелік того, про що ви мали дізнатися.

Упродовж вивчення розділу ми ознайомилися зі складом і властивостями основних класів неорганічних та органічних речовин, типами хімічних реакцій, розрахунковими способами оцінки екологічності технологій, а також опанували суть концепції сталого розвитку й принципи зеленої хімії.

• Визначте, чого ви навчилися, а про що треба пошукати інформацію.

Ми навчилися розраховувати атомну ефективність хімічних реакцій та оцінювати технологічні процеси за величиною Е-фактора. Додаткову інформацію варто дізнатися про конкретне промислове застосування надкритичних флюїдів і про сучасні біорозкладні полімери, які розробляють українські вчені.

• Поділіться своїми думками та враженнями від вивченого з однокласниками й однокласницями.

Вивчення розділу переконує, що хімія не повинна асоціюватися виключно із забрудненням природи. Завдяки принципам зеленої хімії сучасне виробництво може бути безпечним, безвідходним і дружнім до людини та планети. Розуміння таких підходів допомагає обирати екологічні товари в побуті й відповідально ставитися до навколишнього середовища.

§ 35. Зелена хімія (Григорович)

Теги статті:

До уроку