Bài giảng hóa học xanh

HÓA HỌC XANH

1


Không phải ngẫu nhiên mà Giải Nobel Hoá học
năm 2005 được trao cho 3 nhà khoa học Robert
H. Grubbs và Richard R. Schrock đến từ Mỹ, cùng
Yves Chauvin đến từ Pháp, nhờ việc tìm ra cách
làm giảm chất thải độc hại khi tạo ra các hoá chất
mới, giảm thiểu chất thải độc hại bằng một quá
trình sản xuất thông minh hơn.
GREEN CHEMISTRY

thiết kế ra những sản phẩm hóa chất và qui
trình hóa học để giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn
việc tạo ra và sử dụng những chất có hại
ngăn cản việc tạo ra các chất gây ô nhiễm và
sản xuất ra những sản phẩm không gây tổn hại
tới môi trường
Mối nguy hại mà một chất có thể gây ra như một thuộc tính cần được
xem xét bên cạnh các thuộc tính hóa lý khác, và chúng ta cần phải lựa
chọn những chất nào gây ra mức nguy hại tối thiểu.
2


CHƯƠNG I
ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC
XANH (HÓA HỌC BỀN
VỮNG)
3

CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC
XANH (HÓA HỌC BỀN VỮNG)
I. LỊCH SỬ CỦA HÓA HỌC XANH

ĐỊNH NGHĨA: “ HÓA HỌC XANH“ (green chemistry) liên quan đến
việc thiết kế các quá trình và sản phẩm hóa học trong đó việc sử
dụng hoặc tạo ra các hóa chất độc hại được loại trừ hoàn toàn
hoặc giảm đến mức thấp nhất.
Cách đây 2 thập kỷ các khái niệm “Hóa học xanh” hoặc “sự phát
triển bền vững” (sustainable development) đã xuất hiện. Và
1987, đã được Liên Hiệp Quốc thảo luận.
Năm 1991, Văn phòng độc chất và chống ô nhiễm (Office of
Polution Prevention and Toxics) của Mỹ đã khởi xướng chương
trình Hóa học xanh.
4


Ở Châu Âu, các hoạt động về Hóa học xanh cũng được khởi sướng
từ những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỉ 20 (Anh, Ý, Nhật Bản).
Ấn bản đầu tiên của “Tạp chí Hóa học xanh” xuất bản bởi Hội
Hóa học Hoàng gia Anh Quốc (Royal Society of Chemistry) được
khai trương 1999.

Nghiên cứu mới nhất của Hóa học xanh tập trung nghiên cứu
các vấn đề:
+ Các rũi ro do hóa chất độc hại mang lại
+ Các vấn đề mang tính toàn cầu: thay đổi khí hậu trên
trái đất, mưa axit, hiện tượng nóng lên của trái đất, sản

xuất năng lượng, nguồn nước sạch, thực phẩm sạch…
5


II. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA HÓA HỌC XANH
1. Mười hai nguyên tắc của Paul Anastas và John Warner
+ Nguyên tắc thứ nhất: phòng ngừa chất thải (waste prevention)

+ Nguyên tắc thứ hai: tiết kiệm nguyên tử (atom economy)
+ Nguyên tắc thứ ba: sử dụng quá trình tổng hợp ít độc hại nhất
(lesshozardous chemical synthesis)
+ Nguyên tắc thứ tư: thiết kế các hóa chất an toàn hơn
(designing safer chemicals)
+ Nguyên tắc thứ năm: sử dụng dung môi và chất trợ an
toàn hơn (safer solvents and auxiliaries)
6


+ Nguyên tắc thứ sáu: thiết kế quá trình để đạt được hiệu quả
năng lượng (design for energy efficiency)
+ Nguyên tắc thứ bảy: sử dụng nguyên liệu có khả năng tái
tạo (use of renewable feedstocks)
+ Nguyên tắc thứ tám: hạn chế quá trình tạo dẫn xuất (reduce
derivatives)
+ Nguyên tắc thứ chín: sử dụng xúc tác (catalysis)
+ Nguyên tắc thứ mười: thiết kế sản phẩm phân hủy được
(design for degradation)

+ Nguyên tắc thứ mười một: phân tích sản phẩm ngay trong qui
trình (on-line analysis, real-time analysis)

7


+ Nguyên tắc thứ mười hai: hóa học an toàn và phòng ngừa tai
nạn (safer chemistry for acciedent prevention)
2. Mười hai nguyên tắc của Neil Winterton (tr 14-17, Hóa học
xanh, Phan Thanh Sơn Nam)

3. Mười hai nguyên tắc do Samantha Tang, Richard Smith và Martyn
Poliakoff đề nghị (tr 17-18, Hóa học xanh, Phan Thanh Sơn Nam)
III. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA KỸ THUẬT XANH
Nguyên tắc thứ nhất: càng không độc hại càng tốt (as inherently
nonhazardous as possible)
Nguyên tắc thứ hai: phòng ngừa thay vì xử lí (prevention
instead of treatment)
Nguyên tắc thứ ba: thiết kế cho quá trình phân riêng (design
for separation)
8


Nguyên tắc thứ tư: sử dụng được tối đa hiệu quả vật chất,
năng lượng, không gian và thời gian (maximize mass, energy,
space, and time)

Nguyên tắc thứ năm: quan tâm xử lí đầu ra thay vì tăng cường
đầu vào (output-pulled versus input-pushed)
Nguyên tắc thứ sáu: tính phức tạp của sản phẩm (product
complexity)
Nguyên tắc thứ bảy: bền, nhưng khí thải ra môi trường thì
không tồn tại lâu dài (durability rather than immortality)

Nguyên tắc thứ tám: đáp ứng nhu cầu và hạn chế dư thừa quá
mức quy định (meet need and minimize excess)
9


Nguyên tắc thứ chín: hạn chế tối đa tính đa dạng của nguyên
vật liệu (minimize material diversity)

Nguyên tắc thứ mười: tận dụng nguồn nguyên vật liệu và năng
lượng sẵn có (intergration and interconnectivity with available
energy and material flows)
Nguyên tắc thứ mười một: thiết kế phải quan tâm đến giá trị
sau khi hoàn thành chức năng sử dụng (design for commercial
“afterlife”)
Nguyên tắc thứ mười hai: có khả năng tái tạo thay vì cạn kiệt
(renewable rather than depleting)
10


IV. THÚC ĐẨY KỸ THUẬT XANH THÔNG QUA HÓA HỌC XANH
HÓA HỌC XANH liên quan đến
việc thiết kế các quá trình và
sản phẩm hóa học trong đó
việc sử dụng hoặc tạo ra các
hóa chất độc hại được loại trừ
hoàn toàn hoặc giảm đến mức
thấp nhất

KỸ THUẬT XANH liên quan đến việc thiết
kế, thương mại hóa, sử dụng các quá

trình và sản phẩm sao cho vừa có tính
khả thi cũng như tính kinh tế, vừa có thể
hạn chế tối đa vấn đề ô nhiễm tại nguồn
cũng như các rũi ro hiểm họa đối với sức
khỏe con người và môi trường sống.

HÓA HỌC XANH LÀ 1 TẬP HỢP CON CỦA KỸ THUẬT XANH
+ Hóa học xanh cung cấp cơ sở cho việc thiết kế các công nghệ kỹ
thuật xanh nhằm đạt được sự bền vững của sản phẩm, quá trình
và của hệ thống.
+ Các nguyên tắc của Hóa học xanh có vai trò định hướng trong việc
thiết kế các sản phẩm hay quy trình thân thiện với môi trường.
11


+ Hóa học xanh làm nổi bậc tính an toàn của một quá trình
bằng cách lựa chọn nguồn nguyên vật liệu an toàn hơn khi
thiết kế, bao gồm việc lựa chọn nguồn nhập liệu cho quá trình,
tác chất, dung môi… và cả việc thiết kế sản phẩm sau cùng sao
cho không độc hại.
+ Nguồn năng lượng cũng là một yếu tố quan trọng cần phải quan
tâm khi thiết kế sản phẩm và quá trình hóa học. Vì việc sử dụng
nguồn nguyên liệu nào ảnh hưởng đến ô nhiễm môi trường.
1. Nguồn nguyên liệu
Lựa chọn nguyên liệu cần quan tâm:
+ nguồn gốc
+ độc tính
+ ảnh hưởng đến môi trường
12

2. Tác chất

3R2CHOH + Cr2O72- + 2H+ → 3R2C=O + Cr2O3 + 4H2O
Quá trình oxy hóa rượu thành các hợp chất cacbonyl dùng Cr (VI)
hình thành nhiều sản phẩm phụ

ruthenium

Ruthenium là tác nhân “xanh” hơn, phản ứng xảy ra ở điều kiện thường
và không cần dung môi độc hại. Sản phẩm phụ duy nhất là nước.
13


3. Dung môi
Dung môi được sử dụng rộng rải trong công nghiệp hóa chất
làm môi trường phản ứng. Hầu hết dung môi dùng trong
công nghiệp là dễ bay hơi và độc hại.

Trong phòng thí nghiệm dùng các dung môi “xanh” hơn: chất
lỏng ion (ionic liquid), lưu chất siêu tới hạn (supercritical fluid),
nước, hoặc thực hiện không cần dung môi.
Dùng CO2 siêu tới hạn làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ
vì: độ độc hại thấp, không cháy, giá thành thấp, có khả năng
tái tạo, dễ tách và tinh chế, và dễ chuyển hóa khí CO2 thành
trạng thái siêu tới hạn.

14

CHƯƠNG III
HÓA HỌC XANH TRONG
TỔNG HỢP HỮU CƠ

15


3.1 NĂNG LƯỢNG XANH (VI SÓNG, SIÊU ÂM) VÀ CÁC
VI BÌNH PHẢN ỨNG

HỆ THỐNG PHẢN ỨNG TRONG LÒ VI SÓNG
(MICROWAVE, MW)

16


1846 – J. MAXWELL đã đưa ra lí thuyết nếu kết hợp năng lượng
từ trường và điện trường thì có thể truyền trong không gian
dưới dạng sóng.
1986 – công bố đầu tiên về việc sử dụng vi sóng trong tổng
hợp hữu cơ của GEDYE và cộng sự cho thấy “vi sóng giúp
tổng hợp nhanh hơn”

Bắt đầu từ giữa những năm 90 đã có lượng lớn đáng kể những
công bố về việc sử dụng vi sóng trong tổng hợp hữu cơ.
17


Vi sóng có bước sóng 1mm – 1m, tầng số 0,3 – 300 GHz
Để tráng bị nhiễu bởi sóng viễn thông, điện thoại và rađa. Quốc tế qui

định vi sóng hoạt động ở bước sóng 12,2cm và tầng số 2,45 GHz.
18


CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA VI SÓNG

Các phân tử thức ăn (nước, chất béo, đường và các chất hữu
cơ khác) thường ở dạng lưỡng cực điện (có một đầu tích điện
âm và đầu kia tích điện dương). Những lưỡng cực điện này có
xu hướng quay sao cho nằm song song với chiều điện
trường ngoài. Khi điện trường dao động, các phân tử bị quay
nhanh qua lại. Dao động quay được chuyển hóa thành chuyển
động nhiệt hỗn loạn qua va chạm phân tử, sinh nhiệt và làm
nóng thức ăn (10oC/giây).

Khi áp dụng vào tổng hợp hóa học nó giúp gia
nhiệt phản ứng hiệu quả và tăng sự va chạm
các phân tử phản ứng. Dẫn đến hiệu quả phản
ứng tăng, do đó hiệu suất tăng.

19


(Nguồn tạo sóng)

Lò vi sóng hoạt động ở chế
độ multimode
Sự phân phối điện trường
là không đồng nhất

20


Sóng tạo ra qua ống dẫn sóng vào mẫu, lúc này điện trường
phân bố đồng đều và cho phép chúng ta khống chế được nhiệt
độ thông qua các cảm biến.
21


22


ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC
Siêu âm có thể tạo ra nhiệt độ cao như bề mặt mặt trời và
cũng có thể tạo ra áp suất rất lớn giống như ở đáy biển.
Trong một số trường hợp nó có thể làm tăng độ hoạt động
hóa học lên gần một triệu lần.
Siêu âm là âm thanh có tầng số cao hơn tầng số tối đa mà
tai người nghe thấy được
Trong đời sống siêu âm có nhiều ứng dụng:
+ tiếng còi hiệu cho chó, báo trộm, tẩy rửa nữ trang.
+ loại bỏ sỏi thận không cần phẩu thuật, chẩn đoán
hình ảnh thai nhi…

+ trong công nghiệp thì siêu âm rất quan trọng
đối với việc làm nhủ hóa mỹ phẩm và thực phẩm

23

Siêu âm là sự nén sóng âm thanh, khi chất lỏng được chiếu siêu
âm sẽ sinh ra bọt bong bóng, càng ngày càng lớn và nhiều. Dưới
điều kiện thích hợp, các bong bóng sẽ nổ và tạo ra một áp suất
và nhiệt độ rất lớn. Chính môi trường đặc biệt này sẽ làm cho
phản ứng xảy ra một cách đặc biệt.
24


Hình ảnh bột Zn sau
khi chiếu xạ siêu âm,
xuất hiện các “cổ” do
sự nóng chảy cục bộ
tạo ra bởi sự va chạm
ở tốc độ cao của các
phân tử Zn.

25