Chimia „verde”

Tradus de Mircea Băduţ. Chimia nu este întotdeauna complet inofensivă pentru mediu; însă 'chimia verde' se străduieşte să schimbe acest lucru.

synthesis of ibuprofen
Figura 1a: Sinteza originală,
în șase etape, a ibuprofenului
a fost înlocuită cu o sinteză
mai eficientă, în trei etape

Mulţumiri pentru imagine –
Nicola Graf

Chimia nu are o reputație fără pată. Cu toții beneficiem de produsele de larg consum și de medicamentele pe care industria chimică le produce, dar există și o parte întunecată –consumul uriaş de energie, sau producerea de substanţe toxice (solvenți, reactanți, produse reziduale). De peste 20 de ani chimiştii încearcă să primenească industria chimică, şi anume prin această paradigmă, tot mai vehiculată, a ‘chimiei verzi’.

Cunoscută şi sub numele de ‘chimie durabilă’ sau de ‘chimie inofensivă pentru mediu’, chimia verde este un concept care se introduce lent la nivelul școlii. Doi dintre campionii săi anteriori, Paul Anastas și John Warner, definesc chimia verde ca fiind „acea reproiectare a proceselor chimice care reduce sau elimină folosirea și generarea de substanțe periculoase”.

Diminuarea producţiei de deșeuri chimice; reducerea consumului de energie pentru procesele chimice; și o creștere a conștientizării în privinţa securității – toate sunt în interesul umanității și al mediului. Însăşi industria este (şi va fi tot mai) interesată; un studiu din 2011 a sugerat că prin abordarea ‘chimiei verzi’ se pot economisi 65,5 miliarde dolari SUA până în 2020.

Principalele idei care stau la baza chimiei verzi pot fi rezumate pe scurt în câteva puncte simple, care ar putea constitui subiecte interesante de discuție generală la ora de clasă, sau ar putea fundamenta o analiză mai profundă a proceselor chimice predate în mod tradițional în școli. În acest articol vom privi lucrurile din perspectiva climatului chimiei. O listă completă a celor 12 principii ale chimiei verzi pot fi găsite onlinew1, dar deocamdată ne vom limita la acele aspecte care sunt mai aplicabile chimiei școlare: economia atomului; surse pentru reactanți; folosirea de substanţe inofensive ecologic; și reducerea consumului de energie.

Diminuarea reziduurilor

O temă a ‘chimiei verzi’ urmăreşte ca reactanţii și solvenții să ajungă mai degrabă în produsele dorite decât în deșeuri sau în produsele secundare. Diminuarea deșeurilor reduce problemele de mediu asociate. Conceptul de ‘economie a atomului’ și exercițiile simple pe care elevii le pot efectua (vedeţi caseta) vor sprijini ideia temei. De asemenea, trebuie luate în considerare sursele de materii prime. Reactanţii trebuie reconsideraţi ori de câte ori este cazul, sau trebuie obținuţi din surse mai facile şi mai disponibile.

Produsele farmaceutice, în particular, sunt deseori obţinute printr-o sinteză cu mai multe faze, mai degrabă decât prin simpla reacție a reactivului A într-o eprubetă cu reactivul B. În cazul sintezei în mai multe etape, produsul rezultat într-o etapă este utilizat în următoarea, iar – cum randamentul fiecărei etape este mult sub 100% – pierderile pe durata întregului proces sunt semnificative (materiale, solvenți și energie).

Căile de sinteză cu faze mai puține și mai productive, ținând cont şi de celelalte principii verzi, vor conduce la generarea de mai puține deșeuri. De exemplu, ibuprofenul analgezic, care se producea inițial printr-o sinteză în șase pași pornind de la materia primă, izobutilbenzen, se obţine astăzi printr-o sinteză eficientă cu numai trei etape (figura 1).

Diminuarea toxicităţii

Chimia verde încearcă să utilizeze doar substanțe care nu dăunează mediului înconjurător. În 1984, într-una dintre cele mai grave catastrofe industriale din lume, la uzina Union Carbide India Limited din Bhopal, India, au avut loc scăpări în atmosferă de izocianat de metil (CH3NCO), gaz folosit în producția de pesticide. Mii de oameni au fost expuşi toxinei. Numărul iniţial al deceselor a fost de câteva mii, și în jur de jumătate de milion de persoane au fost afectate, suferind invalidităţi temporare sau permanente.

De asemenea, chimia verde recomandă alegerea de reactanţi mai puțin toxici, şi propune trecerea la solvenți organici, precum apa, ori super-criticul dioxid de carbon. Solvenții folosiţi anterior, pe bază de hidrocarburi, sunt toxici și degajă vapori din grupa gazelor cu efect de seră, în timp ce solvenți halogenați sunt adesea cancerigeni, au și ei efect de seră, și constituie surse de radicali liberi – deci vătămător pentru ozon.

Synthesis of ibuprofen
Figure1b: Sinteza modernă a
ibuprofenului

IMulţumiri pentru imagine –
Nicola Graf

Reducerea emisiilor

Industria chimică are nevoie de multă energie electrică, astfel că reducerea acestei cerințe devine importantă atât punct de vedere economic cât și ecologic. Energia se foloseşte pentru a încălzi și a crește presiunea de reacție, dar și la transportul materialelor. Oamenii de ştiinţă caută căi alternative pentru reacțiile chimice, care să se deruleze la temperaturi și la presiuni mai scăzute, şi pentru a reduce cantitatea de dioxid de carbon produsă prin arderea combustibililor fosili.

Şi găsirea unor catalizatori mai eficienţi pentru reacțiile existente va diminua reziduurile chimice și consumul de energie. În mod ideal, ar trebui utilizați mai degrabă catalizatori din categoria metalelor ușor accesibile, precum fierul, decât cei exotici, precum platina, care sunt rari și necesită energie semnificativă pentru obținere. De asemenea, unii catalizatori se „otrăvesc” în timpul reacției, ceea ce înseamnă că de aceştia se leagă substanțe chimice care îi transformă în complecşi chimici constituind reziduuri ce pot fi toxice și greu de stocat în condiții de siguranță.

Aplicarea ‘chimiei verzi’ pentru ‘combustibilii verzi’

În sfera energiei pentru transporturile auto, biocombustibilii sunt înlocuitorii de preferat pentru combustibilii fosili. Etanolul, un biocombustibil bine-cunoscut, se produce printr-o serie de procese de fermentație. El se obţine din materii vegetale, inclusiv din unele ierburi și din reziduuri de porumb. Reţinem că autovehiculele adaptate pot folosi 100% etanol (E100) sau amestecuri de etanol-benzină, variind de la E5 la E25. Totuşi, etanolul nu este un combustibil grozav, deoarece:

  • nu se evaporă la fel de ușor ca benzina;
  • are doar aproximativ 70% din densitatea energetică a benzinei;
  • are tendința de a atrage apa;
  • este acid la temperaturile de lucru ale motorului și poate provoca coroziune;
  • necesită ca motoarele să fie adaptate corespunzător atunci când se folosesc proporții mari de etanol.

catalytic complex
Catalizatorul cu ruteniu
folosit la obţinerea
butanolului din etanol

Mulţumiri pentru imagine –
Duncan Wass/University of
Bristol

Butanolul (care are o densitate energetică de 29,2 MJ/l) ar fi un aditiv de carburant mult mai bun decât etanolul (19,6 MJ/l), având şi proprietăți mai asemănătoare cu benzina (32,0 MJ/l). Butanolul poate fi produs din biomasă (biobutanol) și din combustibili fosili (petrobutanol). Totuşi, procesele de producţie fie necesită cantități mari de energie, fie se bazează pe catalizatori biologici (enzime) și au randamente mici. De asemenea, separarea butanolului dintr-un amestec de produse (bio)chimice este energo-fagă.

Este un deziderat mai vechi al industriei chimice de a produce butanol prin comasarea a două molecule de etanol:

CH3CH2OH + HOCH2CH3 → CH3CH2CH2CH2OH + H2O

Însă de-abia în anul 2013 s-a reuşit în laborator producerea butanolului din etanol cu randamente de peste 95%, folosind ruteniul drept catalizator. Aşa că acum provocarea constă în trecerea procedeului în sfera industrială.

Problemele de mediu nu dispar de la sine. Aşa încât chimia verde va deveni tot mai importantă. Va fi mereu nevoie de tineri străluciţi pentru a aplica principiile chimiei verzi de-a lungul ştiinţelor şi tehnicilor din domeniul chimiei.

 

Economia atomului

În mod tradițional, chimişti au definit eficiența unei reacții chimice prin calcularea randamentului procentual.    

Randamentul % = (molii de produs obţinuţi / molii de produs aşteptaţi) x 100

Barry Trost, de la Universitatea Stanford, SUA, a introdus conceptul ‘economia atomului’ ca o modalitate alternativă de a privi eficiența unei reacții. Economia atomului leagă masa totală a materiilor prime de masa produsului dorit. Astfel, calculul evidențiază resursele irosite: dacă în masa produsului final se regăseşte prea puțin din masa materiilor iniţiale, atunci acestea au ajuns în reziduuri.

Economia atomului % = (masa produsului dorit / masa totală a reactanţilor) x 100

Se poate demonstra ușor că un proces chimic fundamentat pe ‘economia atomului’ este mai eficient şi foloseşte materii prime mai simple pentru a construi un produs, decât prin clasica dislocare a unei molecule mari, care produce mai multe deșeuri.

Spre exemplificare, iată două reacții de producere a oxidului de magneziu:

2Mg                          +                O2             →            2MgO

2 x 24 = 48 g                           32 g                           2 x 40 = 80 g

Eficienţa economiei atomice = (80 / (48 + 32)) x 100 = 100%

MgCO3                      →              MgO        +                CO2

84 g                                           40 g                           44 g

Eficienţa economiei atomice = (40 / 84) x 100 = 48%

Elevii mai avansaţi pot dori să vadă felul în care modificările aplicate la producerea ibuprofenului optimizează această eficienţă atomicăw2.

References

Web References

Resources

Author(s)

Dudley Shallcross este profesor de chimie atmosferică la Universitatea din Bristol, Marea Britanie.

Tim Harrison lucrează ca profesor-cercetător la Şcoala de Chimie din cadrul Universităţii din Bristol. Această poziţie de învăţământ a fost creată pentru a face o punte între şcoala liceală şi cea universitară, dar şi pentru a folosi resursele educaţionale pentru promovarea chimiei la nivel regional, naţional şi internaţional


Review

Aşa cum subliniază şi autorii, chimia este înconjurată de un halou negativ în rândul elevilor și a publicului larg, însă chimia, stând în spatele obiectelor și materialor, se dovedeşte indispensabilă pentru noi toţi. Acesta este motivul pentru care eu aş recomanda folosirea acestui articol la lecţia introductivă a cursului de chimie, în liceu.    

Ideile din spatele conceptului de chimie verde sunt clar subliniate, într-un stil simplu, cu exemple luate din viața de zi cu zi, de la sinteza medicamentelor la biocombustibili. Desigur, subiectul merită aprofundat mai mult, și s-ar putea experimenta direct prin activități de laborator.

Ambele obiective sunt la îndemână prin intermediul referințelor citate (website-ul ACS și paginile educaționale de la Societatea Regală de Chimie).

În plus, istoria accidentelor chimice, precum dezastrul de la Bhopal, poate oferi profesorilor elemente pentru discutarea de probleme precum securitatea proceselor chimice, durabilitatea mediului și rolul chimiei verzi.