Ensayo de química y vida

Desafíos que enfrenta la química 1.1 La imagen de la química está siendo sepultada por el gran éxito de sus disciplinas que se cruzan. La química es una ciencia central. La química tiene conexiones muy estrechas con las ocho ciencias nacientes, como la vida y los materiales. Se han establecido muchas materias interdisciplinarias importantes, pero la imagen de la química como materia central ha quedado sepultada por los grandes logros de sus materias interdisciplinarias. La química, una ciencia central importante, es considerada una ciencia de la dama de honor por la sociedad y no se toma en serio. 1.2 La química se ve afectada por diversos problemas de contaminación ambiental. Si bien el desarrollo de la química continúa promoviendo el progreso humano, objetivamente hace posible la contaminación ambiental, el factor decisivo es el factor humano, que en última instancia depende del impulso continuo de las personas para resolverlo. este problema. Algunos fenómenos medioambientales famosos están relacionados principalmente con la química, como el agujero de la capa de ozono, la contaminación blanca, la lluvia ácida y la eutrofización del agua. Por otro lado, es obviamente injusto atribuir todos los problemas medioambientales a causas químicas, como la fuerte disminución de la contaminación. bosques, tormentas de arena y quema de carbón, etc. Por supuesto, esto está relacionado con la incapacidad de la química para establecer su propia marca. En los primeros procesos químicos, el tratamiento de los gases residuales y los residuos no se consideraba en absoluto. Por lo tanto, muchos procesos químicos provocarán contaminación ambiental. Hoy en día, algunas personas consideran la química y la industria química como una fuente de contaminación. La gente empezó a odiar los productos químicos y luego desarrolló un miedo inexplicable a los productos químicos. Como resultado, cualquier alimento con "aditivos artificiales" no era popular. Algunos fabricantes de cosméticos han enfatizado repetidamente que sus productos no contienen ninguna "sustancia química". De hecho, se trata de prejuicios contra la química, y son los químicos quienes vigilan, analizan y gestionan el medio ambiente. 2. La química verde es necesaria para afrontar los desafíos. La ciencia no sólo debe comprender y transformar el mundo, sino también protegerlo. Lo mismo ocurre con la química. Para hacer frente a los desafíos que enfrenta la química, es urgente promover la química verde. 2.1 El concepto de química verde La química verde, también conocida como química ambientalmente racional, química respetuosa con el medio ambiente o química limpia, se refiere a reacciones y procesos químicos basados ​​en el principio básico de la "economía atómica", es decir, aprovechar al máximo las reacciones participantes en reacciones químicas para obtener nuevas sustancias Cada átomo de la materia prima utiliza métodos científicos para prevenir la contaminación desde el principio, por lo que el proceso y el final son cero emisiones y cero contaminación. Es una química que previene la contaminación desde la fuente. La química verde es diferente de la protección del medio ambiente. La química verde no controla pasivamente la contaminación ambiental, sino que previene activamente la contaminación química, cortando así fundamentalmente la fuente de contaminación. Por lo tanto, la química verde es un nivel más alto de química respetuosa con el medio ambiente. 2.2 El surgimiento y los antecedentes de la química verde Hoy en día, el concepto de desarrollo sostenible es un concepto de desarrollo generalmente reconocido en el mundo. Enfatiza el desarrollo coordinado de la población, la economía, la sociedad, el medio ambiente y los recursos. Es necesario desarrollar la economía protegiendo al mismo tiempo los recursos naturales y el medio ambiente para que las generaciones futuras puedan desarrollarse de manera sostenible. La química verde se basa en la teoría del desarrollo sostenible basada en el desarrollo armonioso del hombre y la naturaleza. En 1984, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) propuso la "minimización de residuos", que era la idea original de la química verde. En 1989, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos propuso el concepto de "prevención de la contaminación". En 1990, el gobierno federal de Estados Unidos aprobó la ley "Acción de Prevención de la Contaminación", estableciendo la prevención de la contaminación como una política nacional. El término "química verde" apareció por primera vez en las disposiciones de esta ley. En 1992, la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos publicó la "Estrategia de Prevención de la Contaminación". En 1995, el gobierno de Estados Unidos estableció el "Premio al Desafío de Química Verde del Presidente". En 1999, la Royal Society of Chemistry fundó la primera revista internacional "Química Verde", marcando el nacimiento oficial de la química verde. Nuestro país también está a la vanguardia del desarrollo de la química en el mundo. En 1995, el Departamento de Química de la Academia de Ciencias de China determinó el tema de consulta académica "Química y Tecnología Verdes". 2.3 El contenido central de la química verde La economía atómica es el contenido central de la química verde. Este concepto fue propuesto por primera vez por Trost, un famoso químico orgánico de la Universidad de Stanford en los Estados Unidos en 1991 (por el cual ganó el Premio Presidencial del Desafío de Química Verde en 1998). ) Premio Académico) propuso, es decir, qué porcentaje de los átomos de las moléculas de la materia prima se convierten en productos. La reacción económica atómica ideal es que los átomos de las moléculas de la materia prima se conviertan en productos al 100% sin producir subproductos ni residuos, consiguiendo una "emisión cero" de residuos. Usó la utilización de átomos para medir la economía atómica de una reacción y creía que la síntesis orgánica eficiente debería maximizar el uso de cada átomo de las moléculas de materia prima para que pueda incorporarse a la molécula objetivo.

Las reacciones atómicas de la química verde tienen dos ventajas significativas: una es maximizar la utilización de materias primas y la otra es minimizar las emisiones de desechos. La expresión de la tasa de utilización atómica es: Tasa de utilización atómica = (suma del peso fórmula del producto esperado/suma del peso fórmula de las sustancias de reacción) × 100%. Por ejemplo, se puede preparar peróxido de hidrógeno oxidante libre de contaminación. mediante el método de la etilantraquinona, es decir, a partir de hidrógeno, el oxígeno se sintetiza directamente bajo la acción de la 2-etilantraquinona y el Pd como catalizador, y la 2-etilantraquinona regresa y puede reciclarse. La tasa de utilización del átomo de esta reacción es del 100%, lo que refleja la economía del átomo y reduce la generación y emisión de desechos. Es un ejemplo típico de emisión cero. 2.4 Los 12 principios de la química verde y los principios de las 5R. Para describir brevemente los puntos principales de la química verde, P.T. Anastas y J.C. Waner propusieron una vez 12 principios de la química verde. Estos 12 principios tienen cierta orientación para nuestra futura investigación sobre la química verde. . efecto. Ⅰ． Prevención – Es mucho mejor evitar que se generen residuos que tratarlos y purificarlos una vez generados. Ⅱ. Hablemos de economía atómica: el procedimiento de síntesis debe diseñarse de modo que los materiales utilizados en el proceso de reacción puedan entrar en el producto final en la mayor medida posible. Ⅲ. Se producirán reacciones sintéticas menos dañinas; en cualquier caso, se deben utilizar métodos factibles, de modo que en el diseño del procedimiento sintético solo se seleccionen o produzcan sustancias que tengan poca toxicidad para el cuerpo humano o el medio ambiente y que preferiblemente no sean tóxicas. Ⅳ. Diseñar de manera que los productos químicos resultantes sean seguros - Diseñar reacciones químicas para producir productos que no sólo tengan las propiedades deseadas, sino que también tengan una toxicidad mínima. Ⅴ. Los disolventes y excipientes son más seguros: los excipientes (como disolventes o eluyentes) deben ser lo más inofensivos posible cuando se utilicen como último recurso. Ⅵ． El uso de la energía en el diseño debe ser eficiente: reducir al máximo la energía necesaria para los procesos químicos y también deben considerarse los beneficios medioambientales y económicos. El procedimiento de síntesis se lleva a cabo a temperaturas y presiones atmosféricas siempre que sea posible. Ⅶ. Utilice materias primas reciclables: siempre que sea técnica y económicamente viable, las materias primas deben reciclarse en lugar de deteriorarse. Ⅷ. Minimizar derivados: las reacciones de derivatización redundantes (para proteger grupos o desproteger y cambiar temporalmente procesos físicos y químicos) deben evitarse o reducirse tanto como sea posible, porque estos pasos requieren la adición de algunos reactivos y también producen desechos. Ⅸ． Catálisis: el catalizador (lo más selectivo posible) domina a los reactivos estequiométricos. Ⅹ. Diseño para la degradación: los productos producidos según lo diseñado pueden descomponerse en productos de degradación inofensivos una vez que se hayan completado sus efectos efectivos y no continuarán existiendo en el medio ambiente. Ⅺ. El proceso de prevención de la contaminación se puede analizar en tiempo real; es necesario desarrollar continuamente métodos analíticos para el análisis en tiempo real y el seguimiento de procesos, especialmente en el control de sustancias peligrosas. Ⅻ. Especialmente para prevenir accidentes debido a la seguridad de las reacciones químicas: en los procesos químicos, la selección de reactivos (incluidas sus formas específicas) debe tener como objetivo minimizar la posibilidad de accidentes químicos, incluidas fugas, explosiones, incendios, etc. Para expresar más claramente los requisitos de la química verde en el uso de recursos, se ha propuesto la teoría de las 5R: Ⅰ. Reducción - La reducción se propone desde la perspectiva del ahorro de recursos y la reducción de la contaminación. Una de las formas efectivas de reducir la dosis y cómo reducirla mientras se protege la producción es aumentar la tasa de conversión y reducir la tasa de pérdida. ② Reducir las emisiones de los “tres residuos”. El objetivo principal es reducir las emisiones de gases residuales, aguas residuales y residuos (subproductos), que deben estar por debajo de los estándares de emisión. Ⅱ. Reutilizar - Reutilizar Esta es la necesidad de reducir costos y reducir residuos. Por ejemplo, los catalizadores y portadores en los procesos de la industria química deberían diseñarse para su reutilización desde el principio. Ⅲ. Reciclaje - Reciclaje El reciclaje incluye principalmente: recuperación de materias primas sin reaccionar, subproductos, cosolventes, catalizadores, estabilizadores y otros reactivos no reactivos. Ⅵ． Regeneración: la regeneración es una forma eficaz de convertir los residuos en tesoros, ahorrar recursos, energía y reducir la contaminación. Requiere que el reciclaje de materias primas relevantes se tenga en cuenta en el diseño del proceso de producción de productos químicos. Ⅴ. Rechazo - Rechazo El rechazo es la forma más fundamental de eliminar la contaminación. Se refiere a negarse a utilizar en procesos químicos algunas materias primas con efectos secundarios tóxicos evidentes y efectos de contaminación que no pueden reemplazarse, reciclarse, regenerarse y reutilizarse. 3 Perspectivas de desarrollo de la química verde 3.1 La ecologización de las materias primas de reacción significa que las materias primas de reacción cumplen con el principio de las 5R.

3.2 Reacciones de economía atómica En la producción de materias primas orgánicas básicas, hay algunos ejemplos de reacciones de economía atómica, como la hidroformilación de propileno para producir butiraldehído, la carbonilación de metanol para producir ácido acético y la síntesis de hexano dietilenglicol. de butadieno y ácido cianhídrico, etc. 3.3 Método de síntesis eficiente La síntesis eficiente en varios pasos que no implica separación es sin duda una parte importante de la tecnología limpia. 3.4 Mejorar la selectividad de la reacción: síntesis direccional, como la síntesis asimétrica. 3.5 Catalizador respetuoso con el medio ambiente Por ejemplo, en la reacción de craqueo de n-hexano, el ácido sólido SiO2-AlCl3 tiene mejor selectividad y menos corrosividad que el AlCl3 ordinario. 3.6 Métodos físicos para promover reacciones químicas, como el inicio y promoción de la reacción de Diels Alder por microondas, el reordenamiento de Claisen, la condensación y muchas otras reacciones orgánicas importantes. 3.7 Reacciones químicas orgánicas enzimáticas Las reacciones químicas orgánicas enzimáticas tienen las características de alta eficiencia, selectividad, condiciones de reacción suaves y respeto al medio ambiente. 3.8 Solventes La contaminación química no solo proviene de materias primas y productos, sino que también está relacionada con los solventes utilizados en los medios de reacción, separaciones y formulaciones. La investigación de alternativas a los solventes tóxicos y volátiles es una importante dirección de investigación en química verde. Como fluidos supercríticos, síntesis orgánica acuosa y disolventes de sales fundidas a temperatura ambiente, etc. 3.9 Diseño y simulación de productos químicos ecológicos asistidos por computadora En el campo de la química y la ingeniería química, las computadoras se han utilizado ampliamente en muchos aspectos, como el análisis de estructura-actividad, el análisis de estructuras, la predicción de la reactividad y el diagnóstico y control de fallas. Sin duda, las computadoras han promovido un desarrollo más rápido de la química verde en términos de encontrar la mejor ruta de reacción que se ajuste a los principios de la química verde, optimizar los procesos químicos y el diseño de productos. 3.10 Productos respetuosos con el medio ambiente, como plásticos degradables, pesticidas respetuosos con el medio ambiente, combustibles ecológicos, revestimientos ecológicos y alternativas a los CFC, etc. La química verde ha inyectado nueva vitalidad al desarrollo de la química, y la química definitivamente tendrá un gran potencial en el siglo XXI.