11.2 Grøn kjemi | Kjemi 1

Lær om prinsipp for berekraftig kjemi og grøne kjemiske prosessar.

80 min

10 oppgaver

Grøn kjemiBerekraftig kjemiAtomøkonomiFornybare råvarerEnergieffektivitetAvfallsreduksjonE-faktorBioetanol og drivstoff

Du leser den tradisjonelle versjonen

Din fremgang i kapitlet

0 / 10 oppgaver

Grøn kjemi

Grøn kjemi er ein måte å planleggje kjemiske produkt og prosessar på slik at bruk og danning av farlege stoff blir minst mogleg. I staden for å reinse opp etterpå skal avfall og fare unngåast alt når prosessen blir vald.

Grøn kjemi heng saman med berekraftig utvikling: å dekkje behova i dag utan å øydeleggje moglegheitene for framtidige generasjonar. Kjemisk industri lagar gjødsel, medisinar, plast og materiale vi treng, men brukar også mykje energi og råstoff og kan gi utslepp.

I dette delkapittelet:
- dei tolv prinsippa for grøn kjemi
- atomøkonomi, og skilnaden frå prosentvis utbytte
- E-faktor
- drivstoff, bioetanol og fornybare råstoff
- livsløpsvurdering (LCA)
- drøfting av korleis prinsippa kan bidra til berekraftig utvikling

Dei tolv prinsippa

Nr.	Prinsipp	Døme
1	Førebygg avfall – betre enn å handsame det etterpå	Velje ein reaksjon som ikkje gir biprodukt som må deponerast
2	Høg atomøkonomi – flest mogleg av atoma i reaktantane i produktet	Reaksjonar der alle atoma hamnar i eitt produkt
3	Mindre farlege syntesar – bruk og lag stoff med låg giftigheit	Unngå klorgass når ein annan reaktant kan brukast
4	Tryggare produkt – produktet skal verke utan å vere unødig giftig	Måling med vatn som løysemiddel i staden for organiske løysemiddel
5	Tryggare løysemiddel og hjelpestoff	Vatn, etanol eller superkritisk CO₂ i staden for diklormetan
6	Energieffektivitet – helst romtemperatur og normalt trykk	Enzym i vaskemiddel som verkar ved 30–40 °C
7	Fornybare råstoff	Plast frå sukkerrøyr i staden for frå råolje
8	Færre mellomtrinn – unngå unødvendige omvegar i syntesen	Syntese i eitt trinn i staden for tre
9	Katalyse – katalysatorar i staden for reagensar som blir forbrukte	Katalysator i eksosanlegget på bilen; katalytisk oksidasjon av eten (døme 1)
10	Nedbrytbare produkt – produktet skal brytast ned etter bruk	Bionedbrytbar plast, vaskemiddel som blir brotne ned i reinseanlegg
11	Overvaking undervegs – mål medan prosessen går, så utslepp blir hindra	Sensorar som stoppar tilførsel før ein reaktor blir overoppheta
12	Tryggare prosessar – vel stoff og former som gir liten fare for ulukker	Bruke eit stoff i fast form eller løysing i staden for som giftig gass

Prinsippa verkar ofte saman: ein katalysator (9) kan senke temperaturen (6) og gjere at færre biprodukt blir danna (1).

📝Oppgave 11-10

Kva for eit prinsipp?

Ein fabrikk byter løysemiddelet diklormetan med vatn.

Ein ny katalysator gjer at ein reaksjon går ved 40 °C i staden for 200 °C.

Eit emballasjefirma lagar plast som blir broten ned i kompost.

Løs oppgaven

Atomøkonomi

Prosentvis utbytte (sjå 5.3) fortel kor mykje produkt vi fekk samanlikna med det som var mogleg. Det seier ingenting om kor mykje avfall reaksjonen gir. Sjølv med 100 % utbytte kan mesteparten av massen hamne i biprodukt.

Atomøkonomi måler kor stor del av massen av reaktantane som hamnar i det ønskte produktet. Når reaksjonen går fullstendig etter likninga, er massen av ønskt produkt lik summen av koeffisient · molmasse for produktet, og massen av reaktantane er tilsvarande sum for reaktantane:
$\text{atomøkonomi} = \frac{\text{koeffisient} \cdot M(\text{ønskt produkt})}{\sum \text{koeffisient} \cdot M(\text{reaktantar})} \cdot 100\ \%$

Massen er bevart, så nemnaren er også lik summen for alle produkta. Atomøkonomien blir rekna frå den balanserte likninga og er den same uansett kor mykje vi lagar.

Reaksjon	Atomøkonomi
Alle reaktantane blir eitt produkt (A + B → C)	100 %
Det blir òg danna eit biprodukt (A + B → C + D)	under 100 %
Eitt stoff blir spalta til fleire stoff (A → B + C), og berre eitt er ønskt	under 100 %

✏️Døme 1: To syntesar av etylenoksid

Etylenoksid, C₂H₄O, er eit viktig råstoff for frostvæske og plast. Det kan lagast på to måtar:

Klorhydrinmetoden (eldre):
$\text{C}_2\text{H}_4 + \text{Cl}_2 + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4\text{O} + \text{CaCl}_2 + \text{H}_2\text{O}$
Katalytisk oksidasjon med sølvkatalysator (moderne):
$2\,\text{C}_2\text{H}_4 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{C}_2\text{H}_4\text{O}$
M(C₂H₄) = 28,05 g/mol, M(Cl₂) = 70,90 g/mol, M(Ca(OH)₂) = 74,10 g/mol, M(O₂) = 32,00 g/mol, M(C₂H₄O) = 44,05 g/mol

Finn atomøkonomien for begge metodane, og vurder dei ut frå prinsippa for grøn kjemi.

Klorhydrinmetoden

\sum M(\text{reaktantar}) = 28{,}05 + 70{,}90 + 74{,}10 = 173{,}05\ \text{g/mol}

\text{atomøkonomi} = \frac{44{,}05}{173{,}05} \cdot 100\ \% = 25{,}5\ \%

Katalytisk oksidasjon
$\sum M(\text{reaktantar}) = 2 \cdot 28{,}05 + 32{,}00 = 88{,}10\ \text{g/mol}$
$\text{atomøkonomi} = \frac{2 \cdot 44{,}05}{88{,}10} \cdot 100\ \% = 100\ \%$

Klorhydrinmetoden gir ca. 3 kg CaCl₂ og vatn per kg produkt og brukar giftig klorgass (prinsipp 1, 2 og 3). Den katalytiske metoden har ingen biprodukt i likninga og brukar ein katalysator (prinsipp 2 og 9).

Svar: 25,5 % for klorhydrinmetoden og 100 % for katalytisk oksidasjon. Den katalytiske metoden er klart grønast.

✏️Døme 2: Atomøkonomi og utbytte er ikkje det same

I ein masomn blir jern(III)oksid redusert med karbonmonoksid:

\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\,\text{CO} \rightarrow 2\,\text{Fe} + 3\,\text{CO}_2

M(Fe₂O₃) = 159,70 g/mol, M(CO) = 28,01 g/mol, M(Fe) = 55,85 g/mol

a) Finn atomøkonomien når jern er ønskt produkt.
b) 1,00 tonn Fe₂O₃ gir 0,65 tonn jern. Finn prosentvis utbytte.

\text{atomøkonomi} = \frac{2 \cdot 55{,}85}{159{,}70 + 3 \cdot 28{,}01} \cdot 100\ \% = \frac{111{,}70}{243{,}73} \cdot 100\ \% = 45{,}8\ \%

Svar: 45,8 %

b)
Teoretisk masse jern per tonn Fe₂O₃:
$m_\text{teoretisk} = 1{,}00\ \text{t} \cdot \frac{2 \cdot 55{,}85}{159{,}70} = 0{,}699\ \text{t}$
$\text{utbytte} = \frac{0{,}65\ \text{t}}{0{,}699\ \text{t}} \cdot 100\ \% = 93\ \%$

Svar: 93 %. Utbyttet er høgt, men meir enn halvparten av reaktantmassen blir CO₂.

📝Oppgave 11-11

Atomøkonomi for enkle reaksjonar

Finn atomøkonomien for 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O når vatn er ønskt produkt.

Hydrogen kan lagast ved elektrolyse av vatn: 2 H₂O → 2 H₂ + O₂. Finn atomøkonomien når berre H₂ er ønskt. M(H₂) = 2,016 g/mol, M(H₂O) = 18,02 g/mol.

Er elektrolyse av vatn ein «dårleg» prosess fordi atomøkonomien er låg? Drøft kort.

Løs oppgaven

📝Oppgave 11-12

Kalkbrenning

Brent kalk blir laga ved å varme opp kalkstein: CaCO₃ → CaO + CO₂. Finn atomøkonomien. M(CaCO₃) = 100,09 g/mol, M(CaO) = 56,08 g/mol.

Kor mange kg CO₂ blir danna per tonn CaO frå sjølve reaksjonen? M(CO₂) = 44,01 g/mol.

Sement blir laga på liknande måte. Kvifor er det vanskeleg å gjere sementproduksjon klimanøytral berre ved å byte til fornybar energi?

Løs oppgaven

📝Oppgave 11-13

Atomøkonomi og utbytte

Kopar(II)sulfat blir laga frå kopar(II)oksid og svovelsyre: CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. Finn atomøkonomien. M(CuO) = 79,55 g/mol, M(H₂SO₄) = 98,09 g/mol, M(CuSO₄) = 159,62 g/mol.

Ein elev brukar 8,0 g CuO og overskot av svovelsyre, og får 14,2 g vassfritt CuSO₄. Finn prosentvis utbytte.

Forklar med eigne ord skilnaden på dei to tala i a) og b).

Løs oppgaven

E-faktor

Atomøkonomien blir rekna frå likninga. Ho tek ikkje med løysemiddel, reagensar som blir forbrukte, tapt produkt eller ureagerte reaktantar. E-faktoren (miljøfaktoren) måler det som faktisk blir avfall i ein prosess:
$E = \frac{m(\text{avfall})}{m(\text{produkt})}$

Alt som ikkje er ønskt produkt og ikkje blir brukt på nytt, blir rekna som avfall: biprodukt, ureagerte reaktantar, løysemiddel som går tapt, og hjelpestoff. Den ideelle E-faktoren er 0, og di lågare, di betre.

Bransje	Typisk E-faktor
Oljeraffinering	under 0,1
Bulkkjemikaliar	under 1 til 5
Finkjemikaliar	5 til over 50
Legemiddel	25 til over 100

Legemiddel blir laga i mange trinn med mykje løysemiddel, og difor er E-faktoren høg. I mange prosessar er det løysemidla som gir mest avfall.
E-faktor og atomøkonomi heng saman. Går reaksjonen fullstendig etter likninga, og biprodukta er det einaste avfallet, er

E_{\text{min}} = \frac{1}{a} - 1

der

a

er atomøkonomien som desimaltal. Den faktiske E-faktoren er alltid minst så stor.

✏️Døme 3: E-faktor med og utan attvunne løysemiddel

Ein fabrikk bruker per omgang 1500 kg reaktantar og 3000 kg løysemiddel, og får 1200 kg produkt. Alt som ikkje er produkt eller attvunne løysemiddel, er avfall.

a) Finn E-faktoren når 90 % av løysemiddelet blir attvunne.
b) Finn E-faktoren når løysemiddelet ikkje blir attvunne.

a)
Reaktantar som ikkje vart produkt:

1500\ \text{kg} - 1200\ \text{kg} = 300\ \text{kg}

Tapt løysemiddel:

0{,}10 \cdot 3000\ \text{kg} = 300\ \text{kg}

E = \frac{300\ \text{kg} + 300\ \text{kg}}{1200\ \text{kg}} = 0{,}50

Svar: E = 0,50

b)
$E = \frac{300\ \text{kg} + 3000\ \text{kg}}{1200\ \text{kg}} = 2{,}75$

Svar: E ≈ 2,8. Utan attvinning blir E-faktoren meir enn fem gonger så stor.

📝Oppgave 11-14

E-faktor

Ein fabrikk lagar 50 kg produkt og 200 kg avfall per dag. Finn E-faktoren.

Vis at $E_{\text{min}} = \dfrac{1}{a} - 1$ når reaksjonen går fullstendig etter likninga og biprodukta er det einaste avfallet.

Metanol blir laga av CO₂ og hydrogen: CO₂ + 3 H₂ → CH₃OH + H₂O. Atomøkonomien er 64,0 %. Finn den lågast moglege E-faktoren.

Klorhydrinmetoden for etylenoksid (eksempel 1) har atomøkonomi 25,5 %. Finn E_min, og forklar kvifor den faktiske E-faktoren er høgare.

Løs oppgaven

Livsløpsvurdering (LCA)

Ei livsløpsvurdering (engelsk: life cycle assessment, LCA) kartlegg miljøverknaden til eit produkt gjennom heile livsløpet:

1. uttak av råstoff
2. produksjon
3. transport
4. bruk
5. avfallshandsaming: gjenvinning, forbrenning eller deponi

For kvar fase blir til dømes energibruk, klimagassutslepp (kg CO₂-ekvivalentar), vassforbruk og utslepp av giftige stoff målte. Ei LCA kan vise at eit produkt som verkar miljøvenleg i éin fase, har store utslepp i ein annan. Ein elbil har til dømes høge utslepp i produksjonsfasen (batteriet), men låge i bruksfasen viss straumen er fornybar.

Resultatet avheng av føresetnadene: kor lenge produktet blir brukt, kvar straumen kjem frå og kva som skjer med avfallet. Når to LCA-ar gir ulike svar, kjem det ofte av ulike føresetnader.

✏️Døme 4: Berenett eller plastpose?

Tabellen viser forenkla tal for klimagassutslepp i livsløpet til to typar berenett. Tala er laga for dømet.

Fase	Plastpose (per pose)	Berenett av bomull (per nett)
Råstoff og produksjon	0,04 kg CO₂-ekv.	2,2 kg CO₂-ekv.
Transport	0,005 kg CO₂-ekv.	0,2 kg CO₂-ekv.
Avfall	0,005 kg CO₂-ekv.	0,1 kg CO₂-ekv.

a) Finn samla utslepp for éin plastpose og for eitt berenett.
b) Kor mange gonger må berenettet brukast for å gi lågare utslepp enn å bruke ein ny plastpose kvar gong?
c) Nemn eitt forhold som ikkje kjem fram i tabellen.

\text{Plastpose: } 0{,}04 + 0{,}005 + 0{,}005 = 0{,}050\ \text{kg CO}_2\text{-ekv.}

\text{Berenett: } 2{,}2 + 0{,}2 + 0{,}1 = 2{,}5\ \text{kg CO}_2\text{-ekv.}

Svar: 0,050 kg for plastposen og 2,5 kg for berenettet

b)
$\frac{2{,}5\ \text{kg}}{0{,}050\ \text{kg per pose}} = 50$

Svar: Berenettet må brukast meir enn 50 gonger.

c)
Tabellen viser berre klimagassar. Plast som hamnar i naturen, blir broten svært langsamt ned og gir mikroplast. Bomullsdyrking krev mykje vatn og plantevernmiddel.

Svar: Til dømes forsøpling og mikroplast, eller vassforbruk ved bomullsdyrking.

📝Oppgave 11-15

Les ei livsløpsvurdering

To drikkeflasker har desse klimagassutsleppa (kg CO₂-ekv. per flaske): Flaske A: råstoff 1,2, produksjon 0,8, transport 0,3, avfall 0,1. Flaske B: råstoff 0,5, produksjon 1,5, transport 0,6, avfall 0,4. Finn samla utslepp for kvar flaske.

Flaske B blir produsert langt unna. Kva for to fasar bør produsenten av B forbetre først?

Flaske B kan brukast 20 gonger, flaske A berre éin gong. Kva for ei flaske gir lågast utslepp per bruk?

Løs oppgaven

📝Oppgave 11-16

Ammoniakk og hydrogen

Ammoniakk blir laga ved N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃. Finn atomøkonomien.

Hydrogenet blir ofte laga frå naturgass: CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂. Finn atomøkonomien når H₂ er ønskt produkt. M(CH₄) = 16,04 g/mol, M(H₂O) = 18,02 g/mol, M(H₂) = 2,016 g/mol.

Kva viser a) og b) til saman om å vurdere ein prosess ut frå berre eitt reaksjonstrinn?

Løs oppgaven

Drivstoff og fornybare råstoff

Bensin og diesel blir laga av råolje (sjå 10.1). Karbonet i dei har vore lagra i jordskorpa i millionar av år, og når dei blir brende, aukar mengda CO₂ i lufta. Eit fornybart råstoff blir danna på nytt i løpet av kort tid, til dømes planter som veks opp att kvar sesong.

Bioetanol

Bioetanol blir laga ved gjæring av sukker frå planter. Gjærceller bryt ned glukose ved om lag 30 °C:

\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\,\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\,\text{CO}_2

Gjæringsvæska inneheld berre nokre få prosent etanol, så etanolen blir konsentrert ved destillasjon (sjå 12.1).

Karbonet i bioetanol vart nyleg teke opp frå lufta ved fotosyntese, og det same karbonet går tilbake til lufta når etanolen blir brend. Bioetanol er likevel ikkje heilt karbonnøytralt: dyrking, gjødsel, destillasjon og transport bruker energi, og rydding av skog eller myr frigjer lagra karbon.

Energi og CO₂ per energimengd

Etanol inneheld oksygen og er alt delvis oksidert. Han gir difor mindre energi per gram enn bensin, men om lag like mykje CO₂ per megajoule. Fordelen med bioetanol er kvar karbonet kjem frå, ikkje sjølve forbrenninga.

Frå mat eller frå avfall?

- Drivstoff frå matvekstar som mais og sukkerrøyr bruker kjend teknologi, men konkurrerer med matproduksjonen om areal.
- Drivstoff frå avfall som halm, treflis og brukt frityrolje krev ikkje nye areal, men cellulose er vanskelegare å bryte ned, og mengda avfall er avgrensa.

Kor berekraftig eit drivstoff er, må vurderast med ei livsløpsvurdering.

✏️Døme 5: Etanol og oktan

Forbrenningsentalpien er −1367 kJ/mol for etanol, C₂H₅OH, og −5470 kJ/mol for oktan, C₈H₁₈. M(C₂H₅OH) = 46,07 g/mol, M(C₈H₁₈) = 114,22 g/mol, M(CO₂) = 44,01 g/mol.

a) Finn energien som blir frigjord per gram for kvart stoff.
b) Finn massen av CO₂ per megajoule (1000 kJ) for kvart stoff.

\text{Etanol:} \quad \frac{1367\ \text{kJ/mol}}{46{,}07\ \text{g/mol}} = 29{,}7\ \text{kJ/g}

\text{Oktan:} \quad \frac{5470\ \text{kJ/mol}}{114{,}22\ \text{g/mol}} = 47{,}9\ \text{kJ/g}

Svar: 29,7 kJ/g for etanol og 47,9 kJ/g for oktan.

b)
C₂H₅OH + 3 O₂ → 2 CO₂ + 3 H₂O og 2 C₈H₁₈ + 25 O₂ → 16 CO₂ + 18 H₂O
$\text{Etanol:} \quad \frac{2 \cdot 44{,}01\ \text{g}}{1{,}367\ \text{MJ}} = 64{,}4\ \text{g/MJ}$
$\text{Oktan:} \quad \frac{8 \cdot 44{,}01\ \text{g}}{5{,}470\ \text{MJ}} = 64{,}4\ \text{g/MJ}$

Svar: Begge gir om lag 64 g CO₂ per MJ.

📝Oppgave 11-17

Bioetanol

Kor mange gram etanol kan lagast av 1,00 kg glukose når gjæringa går fullstendig? M(C₆H₁₂O₆) = 180,16 g/mol, M(C₂H₅OH) = 46,07 g/mol.

Kor mykje energi blir frigjord når etanolen frå a) blir brend? Bruk 29,7 kJ/g.

Både gjæringa og forbrenninga av etanol gir CO₂. Forklar kvifor bioetanol likevel kan gi lågare netto utslepp enn bensin, og kvifor det ikkje er heilt karbonnøytralt.

Drøft kort om bioetanol bør lagast av mais eller av halm og treflis.

Løs oppgaven

📝Oppgave 11-18

Etanol: to vegar til same produkt

Etanol kan lagast av eten og vatn: C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH. Finn atomøkonomien.

Etanol kan også lagast ved gjæring av glukose: C₆H₁₂O₆ → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂. Finn atomøkonomien. M(C₆H₁₂O₆) = 180,16 g/mol, M(C₂H₅OH) = 46,07 g/mol.

Eten blir laga av råolje eller naturgass, glukose frå plantar. Drøft kva for ein metode som er mest berekraftig. Bruk minst to av dei tolv prinsippa.

Løs oppgaven

📝Oppgave 11-19

Grøn kjemi og berekraft

Ein produsent skriv på emballasjen: «100 % grøn kjemi – laga av plantar!» Vurder påstanden ut frå det du har lært i dette delkapittelet.

Drøft korleis prinsippa om katalyse (9) og energieffektivitet (6) kan bidra til berekraftig utvikling i kjemisk industri.

Løs oppgaven

Oppsummering

- Grøn kjemi planlegg produkt og prosessar slik at farlege stoff og avfall blir unngått frå starten.
- Dei tolv prinsippa: førebygg avfall, høg atomøkonomi, mindre farlege syntesar, tryggare produkt, tryggare løysemiddel, energieffektivitet, fornybare råstoff, færre mellomtrinn, katalyse, nedbrytbare produkt, overvaking undervegs og tryggare prosessar.
- Atomøkonomi = koeffisient · M(ønskt produkt) / Σ koeffisient · M(reaktantar) · 100 %. Ein reaksjon med berre eitt produkt gir 100 %.
- Utbytte gjeld forsøket, atomøkonomi gjeld likninga. Ein reaksjon kan ha høgt utbytte og låg atomøkonomi.
- E-faktor = m(avfall) / m(produkt) tek med løysemiddel og tap. Ideelt 0; legemiddel ligg ofte over 25.
- Bioetanol blir laga ved gjæring av sukker frå plantar. Karbonet er nyleg teke opp frå lufta, men dyrking og produksjon gir utslepp.
- Livsløpsvurdering (LCA) ser på heile livsløpet: råstoff, produksjon, transport, bruk og avfall. Resultatet avheng av føresetnadene.
- Påstandar om at noko er «grønt», må vurderast mot fleire prinsipp og helst mot ei livsløpsvurdering.

Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.