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第一節 實踐方法

工業也不一定會帶來污染,關鍵在於實踐綠色化學,而這就由「減少」開始。

那麼,我們要減少什麼呢?

這節,我們可以探討一些在工業上,可減少對環境的破壞的措施。

工業會否破壞環境全看我們如何實踐綠色化學

製造商為了節省成本,很多時都會在工業過程中,採用較便宜的反應物,但這些較便宜的反應物可能毒性較高或含有劇毒。

例如:即使是氧化反應,我們也可選用不同的氧化劑。雖然 \(\ce{KMnO4/H^{+} }\) 和 \(\ce{K2Cr2O7/H^{+} }\) 都是氧化劑,但由於它們都會在反應過程中產生重金屬的副生成物,因此要避免使用。我們應盡量選用毒性較低的反應物,例如 \(\ce{O2}\) 或 \(\ce{H2O2}\),來進行反應。

雙氧水是毒性較低的氧化劑

而在生產聚碳酸酯的過程中,一般都會涉及光氣(Phosgene,即 \(\ce{COCl2}\))的運用,但光氣的毒性較高,遇水會產生二氧化碳和氯化氫:

\[\ce{COCl2(g) + H2O \to CO2(g) + 2HCl(g) }\]

現在,廠商已經使用較安全的甲醇和一氧化碳來取代光氣。

使用催化劑是實踐綠色化學重要的一環,這是由於催化劑能夠改變(通常是提升)化學反應的速率,因此使用催化劑能夠縮短反應時間。

而且很多時候,使用催化劑能夠降低反應溫度、壓強等要求,在較為溫和的反應條件下進行,從而降低能量消耗和成本。

某些化學反應(特別是有機化學反應)會生成 \(2\) 種或以上的生成物;但當某些反應在使用催化劑後,會傾向產生單一生成物,減少副生成物的產生(甚至乎沒有副生成物),這能提升生產效率。

另外,一些生物催化劑(又稱「酶」)常被應用在工業中,這些「酶」能夠在較溫和的條件下進行催化反應;但反過來說,這些「酶」不能在嚴苛的反應條件(例如:很高溫或很低溫)下進行催化反應。

用途
麥酶 在工業中廣泛應用於進行啤酒釀製
纖維素酶 用於分解纖維素,生產蔗糖
蛋白酶 用於洗衣過程中,可清除衣服上蛋白質污漬
脂酶 用於洗衣過程中,可清除衣服上油脂污垢
不同酶的用途

即使我們了解某些有機化學反應的反應式,但當我們把反應物混合、加熱後,仍是不會產生預期的生成物。

例如氯乙烷和氰化鈉水溶液的取代反應,

\[\text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{Cl+NaCN}\to \text{C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{C}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{CN+NaCl}\]

即使在混合、加熱後,也不會產生丙腈 (\(\text{CH}_{3}\text{CH}_{2}\text{CN}\))。為什麼呢?

因為氯乙烷停留在有機相,氰化鈉水溶液則停留在水溶液相;有機相和水溶液相不會融和,「河水不犯井水」,氯乙烷不會和氰化鈉碰撞。因此,即使把氯乙烷和氰化鈉水溶液混合和加熱,也不會產生丙腈。

在不同相中的反應物不能反應

我們要怎樣做,才可以使這類反應得以進行呢?原則上,我們只需要把氯乙烷帶到水溶液相(或把氰離子帶到有機相),讓它們在同一個相中互相碰撞,就可使反應得以進行了。

我們可考慮使用相轉移催化劑(phase transfer catalyst)相轉移催化劑可以幫助反應物從一相轉移到另一相中,從而讓反應物能夠互相碰撞,產生反應。

相轉移催化劑使不同相中的反應物能夠反應

一般而言,相轉移催化劑是「擁有有機離子的離子化合物」,例如,四級銨鹽是常用的相轉移催化劑。

但並不是所有的相轉移催化劑都是離子化合物,它可以是一些簡單的分子,例如 \(18-\)冠\(-6\) (一種王冠狀的醚)。

相轉移催化劑的例子

大部分的化學反應都會以溶劑作為反應媒介,當中以有機化學反應最為常見。從反應過程的角度考慮,使用溶劑便利反應的進行;但從反應結果的角度考慮,溶劑既不是反應物,又不是生成物,所以在可行的情況下,我們應減少(甚至避免)使用溶劑。這既能節省成本,也能減少廢料的處理量。

同樣道理,我們也應該減少(甚至避免)使用其他輔助物,例如分離劑。

綠色化學應避免使用溶劑或其他輔助物

如果一定要使用,也應選用一些毒性較低的輔助物,來取代一些毒性較高的輔助物。

例如,我們一般會使用氯氟碳類化合物 (\(\ce{CFCs}\))、氫氯氟碳類化合物 (\(\ce{HCFCs}\)) 和脂肪族碳氫化合物作為發泡劑,來製造片狀的發泡聚苯乙烯。但氯氟碳類化合物和氫氯氟碳類化合物對環境的危害很大,如導致全球暖化和消耗臭氧層;而脂肪族碳氫化合物則會導致光化煙霧的生成。

其後,科學家研發了以二氧化碳作為起泡劑,用來製造片狀的發泡聚苯乙烯。二氧化碳是穩定的化合物,不易燃燒,不會導致光化煙霧的產生,亦不會與臭氧進行反應;另一方面,這些二氧化碳是由大氣中獲得的,所以不會增加大氣中的二氧化碳的含量。因此,以二氧化碳為起泡劑是比較環保和安全的選擇。

一般而言,化學反應需要在介質中進行。這些介質包括極性溶劑和非極性溶劑。常用的極性溶劑是水,而非極性溶劑通常是具揮發性的有機溶劑。

綠色溶劑是一些毒性較低和較安全的溶劑,而水便是其中一種綠色溶劑

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