Сторінка 271

Розв’язання

1. Визначте, що таке надкритичний стан (поєднання властивостей рідини та газу) і наведіть приклад його використання для витягування ароматичних речовин без шкідливих органічних розчинників.

2. Опишіть процес переробки відходів харчової промисловості (наприклад, лушпиння рису) на біопаливо або будівельні матеріали замість спалювання.

Розв’язання

1. Prevent wastes: Краще не допускати утворення сміття, ніж його вилучати. Приклад: Синтез за участю каталізатора, де атоми реагентів переходять у продукт без побічних відходів.

2. Renewable materials: Використовувати сировину з природи (рослини), а не викопне паливо. Приклад: Виробництво біоетанолу з кукурудзи або цукрової тростини.

3. Omit derivatization steps: Уникати надмірних стадій синтезу, які створюють відходи. Приклад: Прямий каталітичний окиснення замість багатокрокового синтезу з використанням проміжних речовин.

4. Degradable chemical products: Продукт має розкладатися на безпечні речовини. Приклад: Біорозкладні пакети, що розпадаються на воду та CO2.

5. Use safe synthetic methods: Використовувати нелеткі та нетоксичні реагенти. Приклад: Заміна токсичного хлороформу на надкритичний CO2 або воду як розчинник.

6. Catalytic reagents: Краще каталіз, ніж стехіометричні реакції. Приклад: Використання ферментів у біотехнології замість важких металів.

7. Temperature, pressure ambient: Реакції при звичайних умовах економлять енергію. Приклад: Біокаталітичні процеси, що йдуть при кімнатній температурі.

8. In process monitoring: Контроль процесу в реальному часі запобігає аваріям. Приклад: Використання сенсорів для контролю концентрації токсичних газів у реакторі.

9. Very few auxiliary substances: Мінімум розчинників. Приклад: Проведення реакцій без розчинника (безрозчинниковий синтез).

10. E-factor, maximize feed in product: Максимум продукту з мінімуму відходів. Приклад: Нафтопереробка з Е-фактором 0,1 проти фармацевтики з Е-фактором до 100.

11. Low toxicity of chemical products: Продукти мають бути менш токсичними за реагенти. Приклад: Синтез пестицидів нового покоління, що не накопичуються в організмах тварин.

12. Yes, it is safe: Безпека при використанні (не вибухає, не горить). Приклад: Використання води замість легковоспламеняючих розчинників.

Розв’язання

1. Поясніть, що відносний вихід ($\eta$) показує ефективність перетворення реагентів саме на потрібний продукт за формулою $\eta =\frac{m_{факт}}{m_{теор}}\cdot 100\%$.

2. Поясніть, що Е-фактор ($E$) показує кількість відходів за формулою $E=\frac{m_{відходів}}{m_{продукту}}$, де важливо враховувати всі побічні продукти та розчинники.

3. Наведіть приклад: реакція з високим виходом, але великим Е-фактором (наприклад, синтез ліків у великих об'ємах розчинників), і реакцію з атомною ефективністю 100% (Е-фактор малий).

Розв’язання

1. Обираємо реакцію спалювання водню в кисні: $2{\text{H}}_2+{\text{O}}_2\to 2{\text{H}}_2\text{O}$.

2. Перевіряємо, чи є побічні продукти: ні, утворюється лише вода.

3. Визначаємо атомну ефективність: маса продукту (вода) дорівнює сумі мас реагентів, отже ефективність 100%.

Розв’язання

1. Рівняння реакції: $\text{HCl}+\text{NaOH}\to \text{NaCl}+{\text{H}}_2\text{O}$.

2. Молярна маса $\text{NaCl}$ ($M(\text{NaCl})$) = $23+35,5=58,5$ г/моль.

3. Молярна маса ${\text{H}}_2\text{O}$ ($M({\text{H}}_2\text{O})$) = $2+16=18$ г/моль. Сума мас продуктів = $58,5+18=76,5$ г/моль.

4. Обчислюємо ефективність: $\frac{58,5}{76,5}\approx 0,76$, тобто $76\%$.

5. Щодо зменшення показника: оскільки вода є обов'язковим побічним продуктом нейтралізації кислоти лужним металом, кількість атомів у сумі продуктів не може бути меншою за масу реагентів, тому ефективність не можна зменшити нижче цього значення для даного типу реакції (вона вже фіксована стехіометрією).

Розв’язання

1. Використання відновлюваних матеріалів замість викопних ресурсів зберігає природні запаси для нащадків.

2. Мінімізація токсичних відходів та побічних продуктів захищає екосистеми від забруднення, що є ключовим аспектом сталості.

3. Безпечні методи синтезу та реакції за звичайних умов економлять енергію та зменшують викиди парникових газів під час виробництва.

Розв’язання

1. Оберіть приклад (наприклад, виробництво аміаку методом Габера-Боша або доменний процес).

2. Проаналізуйте поточні процеси: які речовини потрапляють у відходи, чи є реакція екзотермічною (вимагає охолодження), чи використовуються токсичні каталізатори.

3. Сформулюйте шляхи покращення: запропонуйте використання більш селективних каталізаторів, переробку відходів на вторинну сировину або заміну небезпечних реагентів безпечнішими.

Розв’язання

1. Розгляньте першу колонку: Нафтопереробна галузь виробляє паливо (бензин, дизель) — прості вуглеводні. Е-фактор 0,1 означає, що майже вся сировина йде у продукт.

2. Розгляньте основний та тонкий хімічний синтез: тут отримують полімери, пластмаси, розчинники (наприклад, етилен, пропілен). Е-фактор 1–10 свідчить про наявність відходів, але процес досить ефективний.

3. Розгляньте фармацевтичний синтез: продуктом є складні органічні молекули (ліки). Е-фактор 25–100 означає, що на 1 кг ліків припадає 25–100 кг відходів. Це пов'язано з низьким виходом реакцій та великою кількістю побічних продуктів при синтезі складних молекул.