Χημικά απόβλητα και ελαχιστοποίηση μέσω οικονομίας ατόμου

Απόστολος Γκάνας

Διπλωματική εργασία

επιβλέποντας καθηγητής: Α. Ι. Μαρούλη

ΔΙΧΗΝΕΤ 2008

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Η ανά χείρας διπλωματική εργασία έχει αναπτυχθεί σε πέντεκεφάλαια.Στο πρώτο από αυτά οριοθετείται η έννοια των χημικώναποβλήτων, και περιγράφονται συνοπτικά οι κυριότερες διαδικασίεςμέσω των οποίων παράγονται. Επισημαίνονται επίσης ορισμένες απότις επιπτώσεις της ρύπανσης που οφείλεται στα χημικά απόβλητα, στοφυσικό περιβάλλον και στην ποιότητα ζωής του ανθρώπου,επιχειρείται δε μία πρόβλεψη για τις μελλοντικές επιπτώσεις,επιπτώσεις τόσο σε παγκόσμια κλίμακα, όσο και ιδιαίτερου ελληνικούενδιαφέροντος. Γίνεται επιπλέον μια προσπάθεια αποτίμησης τωνοικονομικών συνεπειών από την παραγόμενη ρύπανση καθώς και μίααξιολόγηση του ρόλου της χημικής βιομηχανίας στη δημιουργία τηςυπάρχουσας άσχημης κατάστασης. Επιχειρείται επίσης ένας κριτικόςσχολιασμός, του τρόπου με τον οποίο παρουσιάζεται στα σχολικάβιβλία χημείας της Δευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης το θέμα της χημικήςρύπανσης, αλλά και της λογικής των αναλυτικών προγραμμάτων ωςπρος αυτό το θέμα.

Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται κατ’ αρχάς η έννοια τηςεκατοστιαίας απόδοσης μιας αντίδρασης και στη συνέχειαπεριγράφεται διεξοδικά, ο τρόπος με τον οποίον η έννοια αυτήχρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της αποδοτικότητας των χημικώνδιεργασιών. Αναπτύσσεται εν συνεχεία με αναλυτικό τρόπο ησύγχρονη και ορθότερη διαδικασία αξιολόγησης των χημικώναντιδράσεων, με βάση τη δεύτερη από τις δώδεκα αρχές της ΠράσινηςΧημείας και τη χρήση της έννοιας της εκατοστιαίας οικονομίαςατόμου. Επιχειρείται επιπλέον σύγκριση και σχολιασμός τηςχρησιμότητας των δύο αυτών εννοιών ως εργαλείων για τηναξιολόγηση της αποδοτικότητας των χημικών αντιδράσεων.

Το τρίτο κεφάλαιο αφιερώνεται στο ¨πρασίνισμα¨ τωναναλυτικών προγραμμάτων χημείας στη Δευτεροβάθμια Εκπαίδευσηκαι στο πράσινο χημικό εργαστήριο. Κατατίθενται προτάσεις πουviiμπορούν να ενσωματωθούν τόσο σε γενικές, όσο και σε ειδικότερεςθεματικές ενότητες των υπαρχόντων αναλυτικών προγραμμάτων,προτάσεις που αφορούν στο θεωρητικό αλλά και στο πειραματικόεπίπεδο. Γίνεται επίσης αναφορά σε συγκεκριμένες προτάσεις τωνAmerican Chemical Society (ACS) και Royal Society of Chemistry(RSC), για την εισαγωγή των αρχών της Πράσινης Χημείας στα αναλυτικά προγράμματα των ΗΠΑ και του Ηνωμένου Βασιλείου,αντίστοιχα.

Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται ένα πρωτότυπο πείραμα,όπου εφαρμόζονται όσα έχουν ήδη αναφερθεί στα τρία προηγούμενακεφάλαια. Η θερμική διάσπαση του ανθρακικού χαλκού και η πλήρηςκαύση της αιθάλης, χρησιμοποιούνται για την παρασκευή διοξειδίουτου άνθρακα στο εργαστήριο ως αντιπροσωπευτικά παραδείγματαχημικών αντιδράσεων, με υψηλή και χαμηλή οικονομία ατόμουαντίστοιχα. Τα αντιδραστήρια που απαιτούνται όπως και τα προϊόντατων αντιδράσεων προσεγγίζονται διεπιστημονικά από την σκοπιά τηςιστορίας, της τέχνης, της οικολογίας καθώς και των εφαρμογών τουςστην καθημερινή ζωή. Παρατίθεται μία πλήρης περιγραφή τηςπειραματικής διαδικασίας, που περιλαμβάνει εργαστηριακό οδηγό μεπειράματα για τους μαθητές, πειράματα επίδειξης από τον διδάσκοντακαθώς και σειρά προεργαστηριακών αλλά και μεταεργαστηριακώνερωτήσεων. Η όλη διαδικασία για την πραγματοποίηση τωνπειραμάτων, απαιτεί απλά υλικά και συσκευές που συναντώνται σεόλα τα σύγχρονα σχολικά εργαστήρια και μπορεί εύκολα να ενταχθείστο πρόγραμμα διδασκαλίας της χημείας της ΔευτεροβάθμιαςΕκπαίδευσης. Οι μαθητές μέσω των πειραμάτων, αντιλαμβάνονται ότιη αρχή της οικονομίας ατόμου αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για τηνεκτίμηση της αποδοτικότητας των χημικών διεργασιών, έτσι ώστε νασχεδιάζονται χημικές αντιδράσεις που ελαχιστοποιούν τα απόβλητα.Επιπρόσθετα έρχονται σε άμεση επαφή με τις αρχές της ΠράσινηςΧημείας, χρησιμοποιούν σύγχρονες τεχνικές, ενώ παράλληλαευαισθητοποιούνται σε θέματα που αφορούν στο περιβάλλον.viii

Η έρευνα μας, που πραγματοποιήθηκε σε διάφορα Λύκεια τηςχώρας, με τη συμμετοχή καθηγητών χημείας και μαθητών της θετικήςκατεύθυνσης της Γ΄ Λυκείου, με θέμα «τα χημικά απόβλητα ωςπραγματικότητα και ως αντικείμενο μελέτης στη χημεία τηςΔευτεροβάθμιας Εκπαίδευσης» αποτελεί το περιεχόμενο του πέμπτουκεφαλαίου. Παρατίθενται οι στόχοι και η μεθοδολογία της έρευνας,αναλυτική στατιστική επεξεργασία των ερωτηματολογίων καθώς καιτα συμπεράσματα που προέκυψαν από την επεξεργασία αυτή.

Μετά τις βιβλιογραφικές παραπομπές και σημειώσεις ακολουθείπαράρτημα στο οποίο περιέχονται, οι απαντήσεις τωνπροεργαστηριακών και μεταεργαστηριακών ερωτήσεων, τα δελτίαδεδομένων ασφαλείας των χημικών ουσιών (MSDS) πουχρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα, ένα σύντομο βιογραφικό του BarryTrost, ορισμένες επεκτάσεις της έννοιας της οικονομίας ατόμου,μικρογραφίες των αναρτημένων εργασιών (posters), από τηνπαρουσίαση τμημάτων της παρούσας εργασίας στο 1ο ΠαγκόσμιοΣυνέδριο Πράσινης Χημείας, Σεπτέμβριος 2006, Δρέσδη και στο 2οΠανελλήνιο Συμπόσιο Πράσινης Χημείας, Μάρτιος 2007, Πάτρα, ταερωτηματολόγια της έρευνας και τέλος οι στατιστικοί πίνακεςσυχνοτήτων.

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΤΑ ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΩΣ ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΩΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ1.1ΤΑ ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΩΣ ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ 21.1.α Αντιμέτωποι με νέες προκλήσεις 21.1.β Χημικά απόβλητα, ένα αναπόσπαστο κομμάτι της 3καθημερινότητας μας1.1.γ Τα χημικά απόβλητα δεν έχουν πατρίδα, … μονάχα 7μέλλον1.1.δ Τα χημικά απόβλητα αγγίζουν και την τσέπη μας 101.1.ε Η χημική βιομηχανία στο σταυροδρόμι του 21ου αιώνα 121.2 ΤΑ ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΩΣ ΔΙΔΑΚΤΙΚΟ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΣΤΗΔΕΥΤΕΡΟΒΑΘΜΙΑ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗ 15

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Η ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ2.1 Η ΕΚΑΤΟΣΤΙΑΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΩΣ ΚΡΙΤΗΡΙΟ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ ΤΗΣΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ 23×2.1.α Μία έννοια, σημείο αναφοράς στη διδασκαλία της χημείας 232.1.β 100% απόδοση, μία υπόθεση ιδιαίτερα δύσκολη 242.1.γ Ώρα να αρχίσουμε να βάζουμε μία τάξη. Τι είναι 25τελικά απόδοση μιας αντίδρασης;2.1.δ Λίγη εξάσκηση δεν έβλαψε ποτέ κανέναν 272.1.ε Μερικές αποδοτικές αλήθειες, μια ματιά κάπως 32διαφορετική2.2 Η ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΑΤΟΜΟΥ ΤΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ 382.2.α Μία έννοια όχι και τόσο καινούργια. Ορισμός της 38οικονομίας ατόμου2.2.β Υπολογισμός της % οικονομίας ατόμου. Εφαρμογές 40

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΤΟ ¨ΠΡΑΣΙΝΙΣΜΑ¨ ΤΩΝ ΑΝΑΛΥΤΙΚΩΝΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ – ΤΟ ΠΡΑΣΙΝΟ ΧΗΜΙΚΟΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ3.1 ΤΟ ¨ΠΡΑΣΙΝΙΣΜΑ¨ ΤΩΝ ΑΝΑΛΥΤΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΩΝ 483.1.α Μία μάχη που πρέπει να κερδηθεί 483.1.β Η έννοια της σκοπιμότητας στο σχεδιασμό των 53χημικών αντιδράσεων, τα πράσινα πάνε καλύτερα3.2 ΤΟ ΠΡΑΣΙΝΟ ΧΗΜΙΚΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 603.2.α Γιατί εργαστήριο; Το «πράσινο» εργαστήριο είναι 60καθαρό, ασφαλές και σύγχρονο3.2.β Μία προσπάθεια που δειλά δειλά κερδίζει έδαφος παντού 63xi

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΔΙΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑΑ. ΜΕ ΘΕΡΜΙΚΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΑΝΘΡΑΚΙΚΟΥΧΑΛΚΟΥ ΚΑΙ Β. ΜΕ ΚΑΥΣΗ ΤΗΣ ΑΙΘΑΛΗΣ ΩΣΑΝΤΙΠΡΟΣΩΠΕΥΤΙΚΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝΜΕ ΧΑΜΗΛΗ ΚΑΙ ΥΨΗΛΗ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑ ΑΤΟΜΟΥΑΝΤΙΣΤΟΙΧΑ4.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΤΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΔΙΑΣΠΑΣΗΣ ΤΟΥΑΝΘΡΑΚΙΚΟΥ ΧΑΛΚΟΥ 684.1.α Το διοξείδιο του άνθρακα 684.1.β Οι θερμικές διασπάσεις 804.1.γ Ο ανθρακικός χαλκός 814.1.δ Το οξείδιο του χαλκού 834.1.ε Το τεστ Βeilstein και η ταυτοποίηση του οξειδίου του 84χαλκού4.2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ ΤΗΣ ΚΑΥΣΗΣ ΤΗΣ ΑΙΘΑΛΗΣ ΜΕΠΕΡΙΣΣΕΙΑ ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΠΟΥ ΠΑΡΑΓΕΤΑΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΚΑΤΑΛΥΤΙΚΗΔΙΑΣΠΑΣΗ ΤΟΥ ΥΠΕΡΟΞΕΙΔΙΟΥ ΤΟΥ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ 874.2.α Το υπεροξείδιο του υδρογόνου 874.2.β Τα ένζυμα 884.2.γ Η καταλάση 954.2.δ Η αιθάλη 1004.2.ε Το οξυγόνο 1034.3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1064.3.α Διδακτικοί στόχοι 1064.3.β Προεργαστηριακές ερωτήσεις 1074.3.γ Πειράματα επίδειξης 109xiiΑ. Το τεστ Βeilstein. Ανίχνευση του χλωρίου σε εργαστηριακά 109γάντιαΒ. Διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου και ανίχνευση του 110παραγόμενου οξυγόνουΓ. Παρασκευή αιθάλης 1114.3.δ Πειράματα για τους μαθητές 112Πείραμα 1: Α. Θερμική διάσπαση του ανθρακικού χαλκού. 112Β. Ταυτοποίηση του οξειδίου του χαλκού και του διοξειδίου του 113άνθρακαΠείραμα 2: Α. Καταλυτική διάσπαση του υπεροξειδίου του 115υδρογόνου.Β. Καύση της αιθάλης σε περίσσεια οξυγόνου 1174.3.ε Μεταεργαστηριακές ερωτήσεις 119

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Η ΕΡΕΥΝΑ – ΤΑ ΧΗΜΙΚΑ ΑΠΟΒΛΗΤΑ ΩΣΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟΤΗΤΑ ΚΑΙ ΩΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΜΕΛΕΤΗΣΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΔΕΥΤΕΡΟΒΑΘΜΙΑΣ ΕΚΠΑΙΔΕΥΣΗΣ5.1 Ο ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 1205.2 ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ1255.2.1 Ανάλυση των πινάκων συχνοτήτων από τα ερωτηματολόγιατων καθηγητών 1251η ΕΝΟΤΗΤΑ: Τα χημικά απόβλητα στη ζωή μας 1251η αναφορά – συμπεράσματα 1252η αναφορά – συμπεράσματα 1273η αναφορά – συμπεράσματα 1284η αναφορά – συμπεράσματα 1292η ΕΝΟΤΗΤΑ: Τα χημικά απόβλητα και η διδασκαλία της Χημείας 1305η αναφορά – συμπεράσματα 130xiii6η αναφορά – συμπεράσματα 1347η αναφορά – συμπεράσματα 1365.2.2 Ανάλυση των πινάκων συχνοτήτων από τα ερωτηματολόγιατων μαθητών 1371η ΕΝΟΤΗΤΑ: Τα χημικά απόβλητα στη ζωή μας 1371η αναφορά – συμπεράσματα 1372η αναφορά – συμπεράσματα 1393η αναφορά – συμπεράσματα 1414η αναφορά – συμπεράσματα 1422η ΕΝΟΤΗΤΑ: Τα χημικά απόβλητα και η διδασκαλία της χημείας 1435η αναφορά – συμπεράσματα 1436η αναφορά – συμπεράσματα 1456. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1486.1 Γενική βιβλιογραφία 1486.2 Βιβλιογραφικές παραπομπές και σημειώσεις 1507.

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: 1551. Απαντήσεις των ερωτήσεων 1552. Δελτία δεδομένων ασφάλειας υλικών (MSDS) 1583. Βιογραφικό του Barry Trost 1794. Προεκτάσεις της έννοιας της οικονομίας ατόμου 1815. Ερωτηματολόγια 1846. Στατιστικοί πίνακες συχνοτήτων 1957. Μικρογραφίες των αναρτημένων εργασιών (posters)

Για το πλήρες κείμενο πατήστε το παρακάτω εικονίδιο.