Bài tổng hợp trả lời câu hỏi môn hóa học xanh

. Hóa học xanh là gì? Nêu 12 nguyên tắc của Hóa học xanh (Paul Anastas & John Warner)? 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh ? Hóa học xanh là gì ? Hoá học xanh liên quan đến việc thiết kế các quá trình sản xuất và sản phẩm hoá học trong đó việc sử dụng hoặc tạo ra các chất độc hại được loại trừ hoàn toàn hoặc giảm đến mức thấp nhất

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP Môn: Hóa học xanh

1 Hóa học xanh là gì? Nêu 12 nguyên tắc của Hóa học xanh (Paul Anastas & John Warner)? 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh ?

Hóa học xanh là gì ?

Hoá học xanh liên quan đến việc thiết kế các quá trình sản xuất và sản phẩm hoá học trong đó việc sử dụng hoặc tạo ra các chất độc hại được loại trừ hoàn toàn hoặc giảm đến mức thấp nhất

12 nguyên tắc của hóa học xanh: (trang 12/sách)

1 Phòng ngừa chất thải:

2 Tiết kiệm nguyên tử

3 Sử dụng quá trình tổng hợp ít độc hại nhất

4 Thiết kế các hoá chất an toàn hơn

5 Sử dụng dung môi và chất trợ an toàn hơn

6 Thiết kế quá trình để đạt được hiệu quả năng lượng

7 Sử dụng nguyên liệu có khả năng tái tạo

8 Hạn chế quá trình tạo dẫn xuất

9 Sử dụng xúc tác

10 Thiết kế sản phẩm phân huỷ được

11 Phân tích sản phẩm ngay trong qui trình

12 Hoá học an toàn và phòng ngừa tai nạn

3 Phương pháp tổng hợp ít nguy hại: Các phương pháp tổng hợp được thiết kế nhằm sử dụng và tái sinh các chất ít hoặc không gây nguy hại tới sức khỏe con người và cộng đồng.

Ví dụ: quá trình tổng hợp ta có thể thay dung môi CH3OH bằng dung môi nước để giảm

sự độc hại của CH3OH hoặc là sử dụng chất ban đầu ít độc hại hơn Mặc khác nếu hóa chất sử dụng ít độc hại thì dụng cụ ít tốn kém, quá trình sử dụng cũng đơn giản hơn

4 Hóa chất an toàn hơn: Sản phẩm hóa chất được thiết kế, tính toán sao cho có thể đồng thời thực hiện được chức năng đòi hỏi của sản phẩm nhưng lại giảm thiểu được tính độc hại

5 Dung môi và các chất phụ trợ an toàn hơn: Trong mọi trường hợp có thể nên dùng các dung môi, các chất tham gia vào quá trình tách và các chất phụ trợ khác không có tính độc hại

6 Thiết kế nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng: Các phương pháp tổng hợp được tính toán sao cho năng lượng sử dụng cho các quá trình hóa học ở mức thấp nhất Nếu như có thể, phương pháp tổng hợp nên được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất bình thường

7 Sử dụng nguyên liệu có thể tái sinh: Nguyên liệu dùng cho các quá trình hóa học có thểtái sử dụng thay cho việc loại bỏ

8 Giảm thiểu dẫn xuất: Vì các quá trình tổng hợp dẫn xuất đòi hỏi thêm các hóa chất khác và thường tạo thêm chất thải

9 Xúc tác: Tác nhân xúc tác nên dùng ở mức cao hơn so với đương lượng các chất phản ứng

10 Tính toán, thiết kế để sản phẩm có thể phân hủy sau sử dụng: Các sản phẩm hóa chất được tính toán và thiết kế sao cho khi thải bỏ chúng có thể bị phân huỷ trong môi trường

11 Phân tích thời gian hữu ích để ngăn ngừa ô nhiễm: Phát triển các phương pháp phân tích cho phép quan sát và kiểm soát việc tạo thành các chất thải nguy hại

tới mức thấp nhất mối nguy hiểm có thể xảy ra do các tai nạn, kể cả việc thải bỏ, nổ hay cháy, hóa chất )))))

12 nguyên tắc của kĩ thuật xanh: ( trang 18/sách)

1 Càng không độc hại càng tốt

2 Phòng ngừa thay vì xử lý

3 Thiết kế cho quá trình phân riêng

4 Sử dụng được tối đa hiệu quả vật chất, năng lượng, không gian và thời gian

5 Quan tâm xử lý đầu ra thay vì tăng cường đầu vào

6 Tính phức tạp của sản phẩm

7 Bền, nhưng khí thải ra môi trường thì không tồn tại lâu dài

8 Đáp ứng nhu cầu và hạn chế dư thừa quá mức quy định

9 Hạn chế tối đa tính đa dạng của nguyên vật liệu

10 Tác dụng nguồn nguyên vật liệu và năng lượng sẵn có

11 Thiết kế phải quan tâm đến giá trị sau khi hoàn thành chức năng sử dụng

12 Có khả năng tái tạo thay vì cạn kiệt

2 Chất lỏng ion là gì, cho VD? Các tính chất đặc trưng tổng quát của các chất lỏng ion?

Các tính chất đặc trưng tổng quát của các chất lỏng ion?

+ Các chất lỏng ion hoàn toàn không bay hơi và không có áp suất hơi

+ Các chất lỏng ion có độ bền nhiệt cao và không bị phân hủy vì nhiệt trong một khoảng nhiệt độ khá rộng

+ Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan 1 dảy khá rộng các chất hữu cơ, chất vô

cơ cũng như các hợp chất cơ kim

+ Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan khá tốt các khí như H2, O2, CO, CO2.+ Độ tan của chất lỏng ion phụ thuộc vào bản chất cation và anion tương ứng.+ Các chất lỏng ion mặc dù phân cực nhưng thông thường không tạo phối trí với các hợp chất cơ kim, các enzyme và với các hợp chất hữu cơ khác nhau

3

+ Nhờ có tính chất ion, rất nhiều phản ứng hữu cơ được thực hiện trong dung môi chất lỏng ion, thường có tốc độ phản ứng lớn hơn so với trường hợp sử dụng các dung môi hữu cơ thông thường, đặc biệt là khi có sự hỗ trợ của vi sóng.

+ Hầu hết các chất lỏng ion có thể được lưu trữ trong 1 thời gian dài mà không bị phân hủy

+ Các chất lỏng ion là dung môi có nhiều triển vọng cho các phản ứng cần độ chọnlọc quang học tốt

+ Các chất lỏng ion chứa chloroaluminete ion (AlCl4-) là những axit Lewis mạnh,

có khả năng thay thế cho axit độc hại như HF trong nhiều phản ứng cần sử dụng xúc tác axit

3 Nguyên tắc tổng hợp chất lỏng ion? Cho VD minh họa quá trình tổng hợp một họ chất lỏng ion cụ thể (imidazonium, aluminate, ammonium)?

nguyên tắc: ( có trong sách trang 150)

-Quá trình tổng hợp chất lỏng ion được chia làm 2 giai đoạn chính:

+ tạo muối để hình thành cation thích hợp (gđ 1)

+trao đổi ion để hình thành sản phẩm chất lỏng ion mong muốn (gđ 2a và 2b)

-Trong 1 số trường hợp , chỉ cần gđ thứ 1 Ví dụ: chỉ cần tạo muối bậc 4 của cáchợp chất amin hay photphat sử dụng các tác nhân alkyl hóa khác nhau tùy theo

[R’R3N+]X- điều chế từ gđ 1 , có thể sử dụng 2 pp để thu hồi anion thích hợp trong chất lỏng ion Thứ nhất, có thể xử lí muối [R’R3N+]X với 1 Lewis acid dạng MXy để có chất lỏng ion [R’R3N]+[My+1]- thứ 2, có thề trao đổi ion X-thành anion mong muốn -bằng cách xử lí muối M+A- kèm theo sự kết tủa

M+X-, H+X-

- Trong trường hợp thứ 2, muối ammonium [R’R3N+]X- được tham gia phản ứng với muối M+A- kèm theo sự kết tủa M+X- , hoặc tham gia với acid mạnh như H+[A-] kèm theo sự giải phóng H+X-.: VÍ DỤ

4 Nguyên tắc tổng hợp chất lỏng ion? Trình bày một phản ứng hóa học sử dụng dung môi là chất lỏng ion?

5

*nguyên tắc:

-Quá trình tổng hợp chất lỏng ion được chia làm 2 giai đoạn chính:

+ tạo muối để hình thành cation thích hợp (gđ 1)

+trao đổi ion để hình thành sản phẩm chất lỏng ion mong muốn (gđ 2a và 2b)

-Trong 1 số trường hợp , chỉ cần gđ thứ 1 Ví dụ: chỉ cần tạo muối bậc 4 của các hợp chấtamin hay photphat sử dụng các tác nhân alkyl hóa khác nhau tùy theo yêu cầu

-Trong trường hợp không thể hình thành các ion thích hợp bằng pp tạo muối như trên, cần sử dụng them gđ thứ 2 Ví dụ bắt đầu từ muối ammonium [R’R3N+]X- điều chế từ gđ

1 , có thể sử dụng 2 pp để thu hồi anion thích hợp trong chất lỏng ion Thứ nhất, có thể

xử lí muối [R’R3N+]X với 1 Lewis acid dạng MXy để có chất lỏng ion [R’R3N]+[My+1]- thứ 2, có thề trao đổi ion X- thành anion mong muốn -bằng cách xử lí muối M+A- kèm theo sự kết tủa M+X-, H+X-

- Trong trường hợp thứ 2, muối ammonium [R’R3N+]X- được tham gia phản ứng với muối M+A- kèm theo sự kết tủa M+X- , hoặc tham gia với acid mạnh như H+[A-] kèm theo sự giải phóng H+X-

Ví dụ:

5 Ưu điểm của việc sử dụng nước làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ? Những phương pháp nhằm tăng độ tan hoặc độ phân tán của tác chất hữu cơ trong nước?

7

• Ưu điểm:

- Giá thành: nước là dung môi rẻ nhất và dễ kiếm nhất hiện nay

- An toàn: hầu hết các dung môi hữu cơ thong thường đều có khả năng gây ra cácvấn đề cháy nổ hoặc bệnh tật như ung thư chẳng hạn

- Các vấn đề lien quan đến môi trường: sử dụng nước làm dung môi sẽ giảm được một lượng thải độc đáng kể vốn đang được thải ra môi trường từ những quá trình sử dụng dung môi hữu cơ độc hại dễ bay hơi

- Bên cạnh đó việc sử dụng nước làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ còn có ưu điểm :

 Sử dụng nước làm dung môi cho phản ứng có khả năng làm tăng tốc

độ phản ứng cũng như làm tăng tốc độ chọn lọc của sản phẩm

 Bên cạnh đó, độ tan của oxygen trong nước thấp hơn so với trường hợp các dung môi hữu cơ thong thường, ít ảnh hưởng đến quá trình phản ứng xử dụng xúc tác phức kim loại chuyển tiếp – vốn nhạy cảm với oxygen

 Ngoài ra, việc sử dụng nước làm dung môi sẽ có lợi cho các tác chất tan tốt trong nước , do không cần phải chuyển hóa chúng thành các dẫn xuất tan trong dung môi hữu cơ trước khi sử dụng do đó có thể giảm được 1 số gđ trong quá trình tổng hợp  giảm chi phí và giảm chất thải độc

* Những pp làm tăng độ tan hoặc độ phân tán của tác chất hữu cơ trong nước:

6

Ưu điểm của việc sử dụng nước làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ? Trình bày một phản ứng hóa học sử dụng dung môi là nước, phân tích và giải thích các thành phần tham gia phản ứng?

Ưu điểm của việc sử dụng nước làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ?

1 Giá thành : Nước là dung môi rẻ nhất và dễ tìm nhất cho đến nay.

2 An toàn :Hầu hết các dung môi hữu cơ thông thường đều có khả năng gây ra các vấn

đề cháy nổ hoặc gây ra những bệnh tật nguy hiểm như ung thư

3 Các vấn đề liên quan đến môi trường: sử dụng nước làm dung môi sẽ giảm được một

lượng chất thải độc hại đáng kể vổn đang được thải ra môi trường từ những quá trình sử dụng dung môi hữu cơ độc hại dễ bay hơi

Ngoài ra còn có các ưu điểm sau:

+ Sử dụng nước làm dung môi cho phản ứng có khả nang làm tăng tốc độ phản ứngcũng như làm tăng độ chọn lọc của sản phẩm do các tinh chất có một không hai của nước

+ Độ tan của oxygen trong nước thấp hơn so với các hệ dung mội hữu cơ thông thường, do đó sẽ ít ảnh hưởng xấu lên các quá trình phản ứng sử dụng xúc tác phức kim loại chuyển tiếp ( vốn thường nhạy cảm với oxygen)

+ Việc tách sản phẩm hữu cơ ra khỏi nước cũng thực hiện dễ dàng bằng phương pháp tách pha,từ đó việc thu hồi và tái sử dụng xúc tác tan trong pha nước làm sẽ dễ dànghơn

Trình bày một phản ứng hóa học sử dụng dung môi là nước, phân tích và giải thích các thành phần tham gia phản ứng?

Phản ứng giữa dẫn xuất benzene với gốc acryl ( metyl acrylate, etyl acrylate, styrene, acrylonitrile) được thực hiện trong dung môi là nước với xúc tác là muối

palladium

+ Sử dụng dung dịch đệm là NaHCO3/NaOAc nhằm thay đổi độ pH của tác chất nhằm tan tốt hơn trong nước

+ Sử dụng xúc tác chuyễn pha là CTAB(Cetyl trimetylammonium bromua) do đây

là 1 chất hoạt động bề mặt gồm 1 đầu kị nước và ái nước nên nó có tác dụng tăng độ hòa tan và độ phân tán của tác chất trong nước

+ Thực hiện ở nhiệt độ 80-1300C vì dẫn xuất benzene thường phản ứng xảy ra khó

vì có vòng thơm do đó cần làm ở nhiệt độ cao

7 CO 2 siêu tới hạn là gì? Mô tả quá trình hình thành sCO 2 ? Những thuận lợi và khó khăn khi sử dụng sCO 2 làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ? Ứng dụng sCO 2 vào thực tế thế nào, lấy ví dụ?

CO 2 siêu tới hạn là gì?

CO2 siêu tới hạn là CO2 ở trạng thái giữa khí và lỏng khi nhiệt độ và áp suất vượt quá điểm tới hạn tại điểm cân bằng lỏng khí, một trong những môi trường phản ứng đượclựa chọn để thay thế cho các dung môi hữu cơ thông thường,bên cạnh các dung môi là chất lỏng ion và các hệ dung môi chứa nước nhằm giải quyết các vấn đề độc hai hay ô nhiễm do các dung môi thông thường gây ra

Mô tả quá trình hình thành sCO 2 ?

Quá trình hình thành sCO2: Khi đun CO2 và tăng nhiệt độ lên (khoảng 330C) các phân tử trong pha lỏng của CO2 được phân bố ít dày đặc hơn do hiện tượng giản nở nhiệt đồng thời phân bố rộng Khi ngừng gia nhiệt thì pha lỏng chuyển thành pha khí do áp suất tăng lên rồi sau đó lại hình thành pha lỏng mỗi lần làm như trên thì tỷ trọng của hai pha lỏng khí có giá trị biến đổi lại gần nhau hơn Thực hiện nhiều lần như trên thì các điểm trong phân tử CO2 sẽ hình thành điểm siêu tới hạn và khi đó sự khác biệt giữa pha lỏng và khí sẽ mất dần ( nhiệt độ và áp suật đạt giá trị tới hạn) có thể nhìn thấy trên thiết

bị cao áp có kính quan sát

11

Những thuận lợi và khó khăn khi sử dụng sCO 2 làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ?

- Dung môi CO2 có các tính chất vật lý có thể điều chỉnh được theo yêu cầu

- sCO2 có độ bền với tác nhân oxy hóa do CO2 không thể nào tiếp tục bị oxy hóa thành các sản phẩm có số oxy hóa cao hơn nên là dung môi lý tưởng cho các phản ứng oxy hóa xúc tác

- sCO2 có khả năng tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân riêng sản phẩm, thu hồi

và tái sử dụng xúc tác, đặc biệt là kim loại chuyển tiếp đắt tiền

- Có khả năng éo dài tuổi thọ của xúc tác, đặc biệt là xúc tác trên cơ sở là kim loại chuyện tiếp vì nó có khả năng hòa tan các chất đầu độc xúc tác

 Khó khăn:

- Vì sCO2 là chất không phân cực nên chỉ sử dụng đối với các tác chất không phân

cực, còn đối với các tác chất phân cực thì không áp dụng được

- Khi sử dụng sCO2 cần phải điều chỉnh các giá trị nhiệt độ hoặc áp suất thích hợp

với từng phản ứng để có độ tan hợp lý

- Vì chủ yếu phức sử dụng là phức kim loại nên khi sử dụng sCO2 trên các phức

kim loại chuyển tiếp phân cực như trên cơ sở phức phosphine,porphyrin,carbonyl… Cần tăng độ tan của các phức kim loại này

 Ứng dụng sCO 2 vào thực tế thế nào, lấy ví dụ?

sCO2 được sử dụng chủ yếu là trong quá trình trích ly cũng như chiết tách trong

- Dùng phương pháp sCO2 cũng được áp dụng để chiết tách các hoạt chất từ hoa huplon để dùng trong công nghệ bia và dược phẩm với sản lượng lớn (ở Đức sản phẩm chiết hoa huplon bằng công nghệ sCO2 là 10.000 tấn/năm), sản xuất sản phẩm có hàm lượng chất béo thấp và sản phẩm không cholesterol hoặc các sản phẩm chức năng khác.

8 Quy trình xử lý sơ bộ nguyên liệu dầu thực vật trước khi làm biodiezel?

A LỌC: loại bỏ các tạp chất cơ học có trong dầu

B XỬ LÍ HÀM LƯỢNG AXIT TỰ DO TRONG NGUYÊN LIỆU

- Phương pháp trung hoà : để tách các axit tự do có trong dầu Hàm lượng axit tự

do càng thấp thì hiệu suất biodiezel càng cao

Dầu dừa Lượng axit

béo tự do %

0,5 1,0 1,5 2,0

Hiệu suất biodiezel,%

- Phương pháp glyxerin hoá : Phương pháp này làm giảm lượng axit béo tự do và làm tăng hiệu suất biodiezel

13

Glyxerin + nguyên liệu Monoglyxerit và diglyxerit    → +CH OH3 Biodiezel

- Phương pháp sử dụng xúc tác axit : nhược điểm là nước ở lại trong phản ứng, và phải dùng dư lượng CH3OH để 1 phần tác dụng với axit béo (RCOOH), còn 1 phần thực hiện phản ứng trao đổi este

RCOOH + CH3OH →H SO2 4 RCOOCH3 + H2O

C3H5(OCOR)3 + 3CH3OH 3RCOOCH3 + C3H5(OH)3

C RỬA VÀ SẤY DẦU : để loại bỏ xà phòng ra khỏi dầu.

D TẨY MÀU DẦU : dùng chất hấp phụ loại các hợp chất gây màu, làm cho dầu sáng

màu Thường dùng than hoạt tính hoặc nhôm oxit

E KHỬ MÙI : Khử mùi là quá trìng tách các chất gây mùi khỏi dầu đặ biệt là trong mỡ

động vật

Phương pháp: cất cuốn hơi nước , dùng hơi nước quá nhiệt ( 325-375oc), trong chân không (5- 8 kPa)

Có thể dùng than hoạt tính hoặc các chất hấp phụ rắn khác để khử mùi dầu

*Chú ý: Ngoài ra, ta có thể làm giảm lượng axit béo bằng phương pháp cất cuốn hơi nước ( làm giảm tsôi của các axit béo), chuyển axit béo ở thể lỏng thành khí

9 Trình bày phương pháp tổng hợp biodiezel theo phương pháp trao đổi este?

Cơ sở hóa học:

Phương pháp chuyển hóa este tạo biodiezel là phương pháp tốt nhất vì dễ thực hiện và chiphí thấp Các đặc tính của alkyl este rất gần với diezel thông dụng.

ROH: metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH) và các rượu no khác

CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI ESTE KHÁC

* Phương pháp siêu tới hạn: Đây là phương pháp mới không cần dùng xúc tác nhưng nhiệt độ và áp suất pứ cao (P = 100 Mpa, T = 850 K) Phương pháp cho hiệu suất chuyển hóa cao

15