Номер 1, страница 217 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

1. Прокомментируйте принципы "зеленой химии". Попробуйте привести свои примеры.

1. "Зеленая химия" – это научное направление в химии, целью которого является разработка и внедрение таких химических продуктов и процессов, которые уменьшают или полностью исключают использование и образование вредных веществ. Эта концепция основана на 12 принципах, сформулированных Полом Анастасом и Джоном Уорнером. Ниже представлены эти принципы с комментариями и примерами.

Принцип 1. Предотвращение отходов. Лучше предотвратить образование отходов, чем потом их перерабатывать или утилизировать. Это основополагающий принцип, который ставит во главу угла эффективность процесса с точки зрения минимизации побочных продуктов.

Пример: Разработка одностадийных синтезов с высоким выходом, где все реагенты максимально эффективно превращаются в целевой продукт, как, например, в некоторых современных методах производства фармацевтических препаратов.

Принцип 2. Экономия атомов (атомная эффективность). Синтетические методы должны быть спланированы так, чтобы максимально использовать все атомы исходных веществ в конечном продукте. Этот показатель рассчитывается как отношение молярной массы целевого продукта к сумме молярных масс всех реагентов.

Пример: Реакции присоединения (например, гидрирование, реакция Дильса-Альдера) часто имеют 100% атомную экономию. Классическим примером улучшения является синтез ибупрофена компанией BHC, где новый трехстадийный процесс имеет атомную экономию 77% по сравнению со старым шестистадийным процессом с экономией 40%.

Принцип 3. Синтез менее опасных веществ. По возможности, следует разрабатывать методы синтеза, использующие и производящие вещества с минимальной токсичностью для человека и окружающей среды.

Пример: Замена высокотоксичного фосгена ($COCl_2$), применявшегося в производстве поликарбонатов, на менее опасный дифенилкарбонат.

Принцип 4. Создание безопасных химических продуктов. Химические продукты должны быть спроектированы так, чтобы выполнять свою функцию, но при этом обладать минимальной токсичностью и не оказывать негативного влияния на экосистемы.

Пример: Разработка новых инсектицидов (например, из класса неоникотиноидов) с высокой селективностью, которые действуют на нервную систему конкретных насекомых-вредителей, но являются относительно безопасными для млекопитающих и птиц.

Принцип 5. Использование безопасных растворителей и вспомогательных веществ. Следует избегать использования вспомогательных веществ (растворителей, разделяющих агентов), а если это невозможно, использовать безвредные.

Пример: Замена летучих органических растворителей (таких как бензол, хлороформ, дихлорметан) на более безопасные альтернативы: воду, сверхкритический диоксид углерода ($CO_2$), ионные жидкости или проведение реакций без растворителя. Сверхкритический $CO_2$ используется в промышленных масштабах для экстракции кофеина из кофейных зерен.

Принцип 6. Снижение энергозатрат. Энергетические затраты на химические процессы должны быть минимизированы. По возможности, реакции следует проводить при температуре и давлении, близких к условиям окружающей среды.

Пример: Использование высокоэффективных катализаторов, позволяющих снизить температуру и давление процесса. Развитие фотохимических и микроволновых методов синтеза, которые могут значительно сократить время реакции и потребление энергии. Ферментативный катализ также позволяет проводить процессы в мягких условиях.

Принцип 7. Использование возобновляемого сырья. Исходное сырье должно быть возобновляемым, а не истощаемым (как нефть, газ, уголь), когда это технически и экономически целесообразно.

Пример: Производство полимолочной кислоты (PLA), биоразлагаемого пластика, из кукурузного крахмала или сахарного тростника. Синтез химических веществ, таких как адипиновая кислота (прекурсор для нейлона), из глюкозы, полученной из биомассы, вместо бензола.

Принцип 8. Сокращение числа стадий (избежание производных). Следует избегать или минимизировать ненужные промежуточные стадии, такие как введение и снятие защитных групп, поскольку они требуют дополнительных реагентов и приводят к образованию отходов.

Пример: Прямой ферментативный синтез полусинтетических антибиотиков, таких как ампициллин, из пенициллина G, который позволяет избежать нескольких стадий химической модификации и защиты функциональных групп.

Принцип 9. Катализ. Использование каталитических реагентов (максимально селективных) предпочтительнее стехиометрических реагентов, которые расходуются в ходе реакции.

Пример: В реакциях гидрирования использование каталитических количеств металлов (палладий, платина, никель) и водорода гораздо эффективнее, чем использование стехиометрических восстановителей (например, $NaBH_4$ или $LiAlH_4$), которые образуют большое количество неорганических отходов.

Принцип 10. Создание биоразлагаемых продуктов. Химические продукты должны быть спроектированы так, чтобы после использования они разлагались на безвредные компоненты и не накапливались в окружающей среде.

Пример: Замена стойких к разложению разветвленных алкилбензолсульфонатов в составе стиральных порошков на линейные, которые легко разлагаются микроорганизмами. Создание биоразлагаемых полимеров и смазочных масел на основе растительных масел.

Принцип 11. Анализ в реальном времени для предотвращения загрязнений. Необходимо развивать и внедрять аналитические методики, позволяющие осуществлять мониторинг и контроль химического процесса в реальном времени (in-situ), чтобы предотвратить образование опасных побочных продуктов.

Пример: Использование проточных ИК- и Рамановских спектрометров непосредственно в реакторе для отслеживания концентрации реагентов и продуктов, что позволяет оперативно корректировать условия процесса (температуру, давление, скорость подачи реагентов) для максимизации выхода и минимизации отходов.

Принцип 12. Предотвращение аварий. Вещества и формы веществ (газ, жидкость, твердое тело), используемые в химическом процессе, должны выбираться так, чтобы минимизировать вероятность химических аварий, включая утечки, взрывы и пожары.

Пример: Использование проточных микрореакторов вместо традиционных реакторов периодического действия большого объема. Это позволяет работать с малыми количествами опасных веществ в любой момент времени, улучшает теплообмен и снижает риск неконтролируемых реакций. Другой пример — замена летучих и легковоспламеняющихся растворителей на менее опасные.

Ответ: "Зеленая химия" — это концепция, направленная на создание экологически безопасных химических технологий. Она включает 12 принципов, которые охватывают весь жизненный цикл химического продукта: от выбора сырья до утилизации после использования. Ключевые идеи включают предотвращение отходов (принцип 1), максимизацию эффективности использования атомов (принцип 2), отказ от токсичных реагентов и растворителей (принципы 3, 5), снижение энергопотребления (принцип 6), использование возобновляемого сырья (принцип 7), применение катализа (принцип 9) и создание биоразлагаемых продуктов (принцип 10). Примерами реализации этих принципов служат модернизированный синтез ибупрофена, производство биопластиков из кукурузы, использование воды и сверхкритического $CO_2$ в качестве растворителей, а также широкое применение катализаторов в промышленности для повышения эффективности и снижения воздействия на окружающую среду.