Leerdoelen
•Je kunt uitleggen wat duurzaamheid is en hoe je er rekening mee kunt houden.
•Je kunt de atoomeconomie van een chemisch proces berekenen.
•Je kunt het rendement van een chemisch proces berekenen.
Wat is duurzaamheid in de chemie?
Duurzaamheid betekent rekening houden met behoeften in het heden zonder de behoeften van toekomstige generaties in gevaar te brengen. Voor duurzaamheid is het belangrijk om duurzame energiebronnen te gebruiken, de juiste grondstoffen te kiezen en goed om te gaan met afval. Afval kan worden hergebruikt als grondstof in een ander proces. Dit vermindert de ecologische afdruk.
Een belangrijk concept is cradle to cradle (van wieg tot wieg), waarbij producten en materialen zodanig worden ontworpen dat ze aan het einde van hun levensduur volledig kunnen worden hergebruikt in een nieuwe cyclus. Dit staat tegenover cradle to grave (van wieg tot graf), waarbij een product na gebruik kapot is en niet meer in een cyclus kan worden opgenomen.
Er zijn twee soorten cycli:
•De biologische cyclus: Een product, zoals een T-shirt, wordt na gebruik gecomposteerd. De voedingsstoffen die vrijkomen, worden weer gebruikt door katoenplanten, waaruit nieuwe T-shirts kunnen worden gemaakt.
•De technische cyclus: Een product, zoals een wasmachine, wordt na gebruik uit elkaar gehaald. Bruikbare onderdelen, zoals ijzer, kunnen worden hergebruikt om nieuwe producten te maken, zoals stalen balken.
Binnen hergebruik zijn downcyclen en upcyclen van belang:
•Downcyclen: Het maken van een minderwaardige stof uit een gebruikte stof. De kwaliteit neemt af. Een paaltje gemaakt van diverse gerecyclede plastics is een voorbeeld van downcyclen.
•Upcyclen: Het behouden van een gelijke kwaliteit van de oorspronkelijke grondstof bij hergebruik. Een tasje van gerecycled polyester is een voorbeeld van upcyclen, waarbij de kwaliteit van het materiaal behouden blijft.
Hoe draagt groene chemie bij aan duurzaamheid?
Sinds de jaren negentig is er, mede door ongelukken zoals die op boorplatform Piper Alpha, meer aandacht voor de duurzaamheid van chemische productieprocessen. Dit is belangrijk vanuit zowel economisch als maatschappelijk oogpunt, omdat de reputatie van fabrieken en de impact op omwonenden meetellen.
Energie-efficiëntie is een manier om te besparen op energiekosten en CO2-uitstoot. Energie die vrijkomt bij een exotherme reactie kan met behulp van een warmtewisselaar worden gebruikt om bijvoorbeeld een endotherme reactie te verwarmen.
Groene chemie richt zich op de volgende principes:
•Productieprocessen veiliger maken.
•Minder grondstoffen en energie gebruiken.
•Zoveel mogelijk duurzame grondstoffen en energie inzetten.
•Minder vervuilen.
Wat is de atoomeconomie en hoe bereken je deze?
De atoomeconomie is een getal dat aangeeft welk percentage van de atomen van de beginstoffen terechtkomt in het gewenste eindproduct. Een hoge atoomeconomie betekent dat er weinig afval ontstaat.
De formule voor de atoomeconomie is: atoomeconomie = (molecuulmassa gewenst product / molecuulmassa beginstoffen) * 100%
De molecuulmassa’s kunnen worden ingevuld in atomaire massaeenheden (u).
Rekenvoorbeeld: Additiereactie eteen en chloor
Bij de additiereactie van eteen en chloor ontstaat 1,2-dichloorethaan: Eteen + Chloor → 1,2-dichloorethaan Omdat alle beginstoffen in het gewenste reactieproduct terechtkomen (additiereactie), is de atoomeconomie in dit geval 100%. De massa links is gelijk aan de massa rechts.
Rekenvoorbeeld: Synthese van musk xyleen
Als musk xyleen wordt gemaakt, ontstaat er afval (drie watermoleculen). De atoomeconomie wordt berekend door de molecuulmassa van musk xyleen te delen door de molecuulmassa van de beginstoffen en dit met 100% te vermenigvuldigen.
Wat is het rendement en hoe bereken je dit?
Het rendement is de verhouding tussen de praktische opbrengst en de theoretische opbrengst van een chemisch proces. Het rendement geeft aan hoe efficiënt een reactie is.
Rendementsverlies kan optreden door:
•Onzuivere beginstoffen.
•Nevenreacties die ongewenste producten vormen.
•Stoffen die aan de binnenkant van reactoren of leidingen aankoeken en daardoor niet reageren.
De formule voor het rendement is: rendement = (praktische opbrengst / theoretische opbrengst) * 100%
De theoretische opbrengst is de maximale hoeveelheid product die theoretisch kan ontstaan op basis van de hoeveelheid beginstoffen en molrekenen, rekening houdend met de ondermaat. De praktische opbrengst is de daadwerkelijk verkregen hoeveelheid product.
Rekenvoorbeeld: Synthese van 2,4,6-tribroomfenol
Gegeven: Uit 1000 ton fenol ontstaat 3003 ton 2,4,6-tribroomfenol. De reactie is: Fenol + 3 Brom → 2,4,6-tribroomfenol + 3 HBr. De molaire massa van fenol (C6H6O) is 94,11 g/mol. De molaire massa van 2,4,6-tribroomfenol (C6H3Br3O) is 330,8 g/mol.
Berekening van de theoretische opbrengst:
1.Zet de massa van fenol om naar gram: 1000 ton = 1000 × 10⁶ gram.
2.Bereken het aantal mol fenol: Aantal mol fenol = (1000 × 10⁶ g) / 94,11 g/mol = 1,06 × 10⁷ mol.
3.Volgens de reactievergelijking is de molverhouding fenol : 2,4,6-tribroomfenol = 1:1. Er ontstaat dus ook 1,06 × 10⁷ mol 2,4,6-tribroomfenol.
4.Bereken de theoretische massa 2,4,6-tribroomfenol: Massa = (1,06 × 10⁷ mol) × 330,8 g/mol = 3,50648 × 10⁹ g = 3506,48 ton. De theoretische opbrengst is 3506,48 ton.
Berekening van het rendement: Rendement = (praktische opbrengst / theoretische opbrengst) * 100% Rendement = (3003 ton / 3506,48 ton) * 100% = 85,64%. (Gerekend met 4 significante cijfers, gebaseerd op de 1000 ton en 3003 ton).
Gecombineerde rendementen
Als een proces uit meerdere stappen bestaat, waarbij elke stap een eigen rendement heeft (bijvoorbeeld 30%, 40% en 80%), dan wordt het totale rendement berekend door de rendementen met elkaar te vermenigvuldigen. Totaal rendement = 0,30 × 0,40 × 0,80 = 0,096. Dit betekent dat van de oorspronkelijke hoeveelheid beginstof uiteindelijk 9,6% wordt omgezet in het eindproduct.
