Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

ТЕМА 5. ХІМІЯ І ПРОГРЕС ЛЮДСТВА

§ 39. Зелена хімія

Пригадайте: що розуміють під відносним виходом продукту реакції (за § 12).

Що таке зелена хімія?

Наприкінці курсу хімії 10 класу ви ознайомилися з концепцією сталого розвитку, яка почала формуватися в 70-ті роки минулого століття, а сьогодні на рівні ООН підтримується всіма країнами світу. Головний принцип цієї концепції — «передати» нашу планету нащадкам невиснаженою та забезпечити їхній розвиток, не гірший за наш, а не примусити їх розв'язувати численні екологічні проблеми. Ця концепція є комплексом економічних, соціальних, наукових і технічних змін, що потребують заходів та реформ на державному рівні в різних сферах нашого життя.

Із боку хімічної спільноти та хімічного виробництва дотриманням цієї концепції є слідування принципам нового напрямку хімії — Зеленої хімії (Green Chemistry). Зелена хімія почала розвиватися на початку 90-х років XX століття як науковий напрямок із удосконалення хімічних процесів для зменшення негативного впливу на навколишнє середовище (мал. 39.1).

Мал. 39.1. Концепція Зеленої хімії

Зелена хімія має багато спільного з екологічною хімією. Але екологічна хімія досліджує насамперед способи усунення забруднювачів довкілля та обмеження їх поширення. А головним завданням Зеленої хімії є зміна способів одержання речовин і технологічних процесів, щоб навіть не виникало забруднювачів навколишнього середовища або утворювалося якомога менше.

Останнім часом принципи Зеленої хімії дедалі більше підтримуються суспільством, про що свідчить багато фактів. Зокрема, 2005 року Нобелівську премію з хімії отримали Р. Граббс, Р. Шрок та І. Шовен за розвиток методу метатезису в органічному синтезі, який модифікує багато виробничих процесів під час обробки ненасичених сполук з урахуванням принципів Зеленої хімії. А від 1996 року в США запроваджено щорічну Президентську премію, якою нагороджують учених та корпорації, котрі втілюють у хімічні технології принципи Зеленої хімії.

Принципи Зеленої хімії

В одному з перших посібників із Зеленої хімії (П. Т. Анастас, Дж. Уорнер «Зелена хімія: теорія і практика») було сформульовано 12 принципів цього напрямку науки. Сьогодні існує багато різних версій цих принципів, найпоширенішою з яких є «PRODUCTIVELY»:

Е-фактор та атомна ефективність

Е-фактор та атомну ефективність використовують для кількісного оцінювання хімічного виробництва. Здається, чому б для цього не застосувати таке поняття, як вихід продукту реакції від теоретично можливого? Вихід продукту реакції характеризує ступінь перетворення реагентів на продукти реакції. Але, окрім реагентів, у реакціях також використовують розчинники, каталізатори, допоміжні речовини для виділення потрібного продукту з реакційної суміші тощо. Ці речовини також необхідно одержувати (добувати або синтезувати), потім очищувати й утилізувати. А це є причиною потрапляння забруднюючих речовин у навколишнє середовище.

Е-фактор обчислюють як відношення маси всіх побічних продуктів, що фактично є відходами виробництва, до маси цільового продукту:

Значення Е-фактора дозволяє оцінити ступінь використання сировини і кількість утворених відходів: чим менше значення Е-фактора, тим менше відходів певного виробництва. Найкращий результат за Е-фактором має нафтопереробна промисловість, її Е-фактор дорівнює 0,1. І це не дивно, оскільки сьогодні нафтову сировину майже повністю переробляють на пальне (цьому значною мірою сприяє використання процесів крекінгу та риформінгу).

Найгірші показники у процесів синтезу фармпрепаратів, де, залежно від виробництва, Е-фактор може досягати 100. І це також не дивно, оскільки для виробництва ліків часто потрібні дуже чисті речовини, а це вимагає використання великої кількості допоміжних речовин для очищення.

Атомну ефективність обчислюють як відношення молярної маси цільового продукту до суми молярних мас усіх інших продуктів у рівнянні реакції:

Атомна ефективність характеризує повноту використання хімічних елементів: чим результат ближчий до 100 %, тим більш «зеленою» є хімічна реакція. Наприклад, для реакції гідратації етену:

C2H4 + H2O = C2H5OH

атомна ефективність дорівнює 100 %, оскільки всі атоми реагентів містяться у складі продукту реакції.

Як дотримуватися принципів зеленої хімії?

Принципи Зеленої хімії тільки починають ставати складовою нашого життя. Людство робить лише перші кроки в цьому напрямку, хоча певні досягнення вже існують.

Принципам Зеленої хімії відповідає одержання й використання біодизелю та біоетанолу, про що ви дізналися минулого навчального року. Це зменшує споживання (спалювання) викопного палива. А кількість утвореного вуглекислого газу внаслідок спалювання рослинного пального фактично дорівнює тій кількості CO2, яку поглинули рослини з повітря в процесі фотосинтезу.

Наукова спільнота закликає людство взагалі відмовитися від спалювання нафтопродуктів. Відомо, що сьогодні лише 5 % сирої нафти використовують для виробництва синтетичних хімічних речовин, більша частина йде на пальне. Нафтову сировину необхідно використовувати винятково для синтетичної хімії, а спалювати біопальне, синтезоване з біомаси (мал. 39.2).

Мал. 39.2. Використання біоетанолу замінює в повітрі вуглекислий газ із «викопного карбону» на вуглекислий газ із відновлюваної рослинної сировини

Останнім часом деякі хімічні компанії відмовляються від використання «класичних» органічних розчинників: дихлороетану, хлороформу, бензену тощо. Сьогодні проводять наукові дослідження щодо заміни їх безпечними речовинами в надкритичному стані, коли за певних умов (тиск і температура) — у так званій потрійній точці — речовини переходять у надкритичний стан, де поєднуються властивості рідини та газу. Наприклад, вода і вуглекислий газ у надкритичному стані є дуже ефективними розчинниками, не гіршими за традиційні неполярні органічні розчинники.

У Центрі каталізу в м. Аахен (Німеччина) розробляють технологію використання вуглекислого газу, який виділяється на теплових електростанціях під час спалювання вуглеводневого палива, для синтезу багатоатомних спиртів. Знизити викиди вуглекислого газу в такий спосіб не вдасться (не більш ніж на 1 %). Але ця технологія дозволяє на 15 % знизити обсяги використання органічної сировини, необхідної для виробництва багатоатомних спиртів.

Сьогодні в наукових лабораторіях розробляють способи модернізації технологій із метою «озеленити» хімічні виробництва. Але засновники Зеленої хімії закликають змінити саму філософію підходу до модернізації виробництва. Як аргумент вони наводять той факт, що більшість хімічних засобів покупці обирають не заради їх хімічної формули, а заради корисного ефекту від них. Наприклад, мийні засоби люди купують для миття посуду, і краще продається той засіб, що миє краще, а не той, у якого «унікальний» хімічний склад.

Отже, відповідно до принципів Зеленої хімії, насамперед необхідно думати про кінцевий результат, а не про певні речовини. Наприклад, можна створювати суперефективні мийні засоби для видалення нагару зі сковорідки з хитромудрою формулою чи привабливим запахом. А можна покрити сковорідки антипригарним покриттям, щоб цей нагар не утворювався. Якщо до хімічної промисловості застосовувати такий підхід, тоді Зелена хімія вийде на новий рівень розвитку і стане невід'ємною частиною нашого життя.

Ключова ідея

Зелена хімія — це принципово новий, безпечний для людини і планети підхід до організації виробництва хімічних речовин і принципів їх використання.

Контрольні запитання

558. Що таке зелена хімія? Чим зелена хімія відрізняється від екологічної хімії?

559. Що таке Е-фактор та атомна ефективність?

560. Схарактеризуйте принципи зеленої хімії.

Завдання для засвоєння матеріалу

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

562. Як ви розумієте термін «цільовий продукт»?

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

564. Наведіть приклад хімічної реакції з атомною ефективністю 100 % за участі лише неорганічних речовин.

565. Обчисліть атомну ефективність нейтралізації хлоридної кислоти натрій гідроксидом. Чи можливо зменшити цю величину для цієї реакції?

Завдання для розвитку критичного мислення

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

567. Проаналізуйте таблицю та дайте відповіді на запитання.

Галузь

Обсяг виробництва, тонн/рік

Е-фактор

Нафтопереробна

106-108

0,1

Основний хімічний синтез

104-106

1-5

Тонкий хімічний синтез

102-104

5-10

Фармацевтичний синтез

10-103

25-100

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

— Запропонуйте пояснення значень Е-фактора для кожної галузі.

Міні-проекти

568. 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.