Aula-4-Química-Verde-QAmb-2019-Final

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Aula 4 – Química Verde 
Julio C. J. Silva 
Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) 
Instituto de Ciências Exatas 
Depto. de Química 
Juiz de Fora, 2019 
Química Ambiental 
 Química Verde 
 As atividades produtivas na área de química são 
normalmente de risco e potenciais causadoras de 
poluição 
 
 A atividade química é frequentemente 
relacionada, direta ou indiretamente, à maioria 
dos chamados “desastres ambientais”, 
 
 visto que trabalha com substâncias muitas vezes 
tóxicas e/ou inflamáveis e após um processo 
químico normalmente geram um “lixo tóxico” que 
precisa ser tratado (resíduo) 
 
 
●Após um processo químico pode-se: 
a) encaminhar os resíduos para as estações de tratamento, 
onde é feito o ajuste das cargas emitidas aos parâmetros 
estabelecidos para os lançamentos; 
b) reciclar ou reutilizar os resíduos; 
c) incinerar os resíduos tratados. 
Tal abordagem é conhecida como abatimento de “fim-de-
tubo” ou “ponta-de-chaminé” (end-of-pipe) 
Órgãos governamentais, centros de pesquisa, universidades e 
organizações não-governamentais monitoram o correto 
cumprimento desses limites ou a necessidade de revisá-los e de 
estabelecer limites e restrições a novas espécies 
 Química Verde 
 
“Remediação, que, embora apresente 
baixa vantagem ambiental relativa se 
comparada com técnicas de redução na 
fonte, tem colaborado bastante para 
diminuir a velocidade de contaminação do 
ambiente por muitas atividades 
industriais” 
 
 
 
 Química Verde 
Ao longo de tempo, vem tornando-se cada vez mais clara a necessidade do 
uso eficiente dos recursos 
Em função da redução 
do custo dos processos 
 Impacto dos processos 
produtivos no meio ambiente 
e de sua sustentabilidade em 
médio e longo prazos 
 1972 – Conferência de Estocolmo (Suécia) – 
direito ambiental passou a ser um ramo jurídico. 
 
 1986 (CONAMA) - definiu, as responsabilidades, 
os critérios básicos e as diretrizes gerais para 
uso e implementação da Avaliação de Impacto 
Ambiental (AIA); 
 
 Qualquer atividade modificadora do meio 
ambiente dependerá da elaboração do estudo do 
impacto ambiental (EIA) e, 
 
 Respectivo relatório de impacto ambiental 
(RIMA), que devem ser aprovados por órgãos 
estaduais competentes e pelo IBAMA2 
 História 
 1987 (ONU) – Desenvolvimento sustentável; 
 
 1992 (ECO-92) - Agenda 21: compromisso com o 
desenvolvimento sustentável; 
 
 “Desta forma, a exploração desmedida e irresponsável 
dos recursos naturais, bem como outras atividades 
antropogênicas devem ser realizadas em direção ao 
progresso, porém faz parte do progresso a qualidade 
de vida e um meio ambiente seguro.” 
 
 (Agenda 21) - propõe-se a promoção de uma produção 
limpa juntamente com a responsabilidade empresarial. 
 História 
 
 1990 – Busca de alternativas para minimização da 
geração de resíduos, em vez de tratá-los ou 
remediar os danos por eles causados 
 
 Química verde, química limpa, química 
ambientalmente benigna, química 
autossustentável e ambientalmente amigável 
 
 1991 – nascimento da química verde (EPA - Rotas 
Sintéticas Alternativas para Prevenção de 
Poluição) 
 História 
 
 1995 (EUA) – Prêmio: “The Presidential Green 
Chemistry Challenge” (PGCC); 
 
 Categorias: acadêmico, pequenos negócios, rotas 
sintéticas alternativas, condições alternativas de 
reação e desenho de produtos químicos mais 
seguros; 
 
 1993 (Itália) - Consórcio Universitário Química 
para o Ambiente (INCA). 
 
 História 
 
 1997 - “Green Chemistry Institute” (GCI) - 
Sociedade Americana de Química (“American 
Chemical Society, ACS”); 
 
 1997 (IUPAC - International Union for Pure and 
Applied Chemistry) - Conferencia em “Green 
Chemistry”, em Veneza; 
 
 2001 (IUPAC) - aprovou a criação do Sub-Comitê 
Interdivisional de “Green Chemistry” 
 
 2001 (IUPAC) - Workshop sobre Educação em 
“Green Chemistry”. 
 Em 2001 (EUA), ocorreu também a Conferência 
CHEMRAWN XIV (“The Chemical Research 
Applied To World Needs”), 
 
 2000 – 2001 (IUPAC): números especiais da 
revista Pure and Applied Chemistry dedicados à 
química verde; 
 
 Sociedade Real de Química Britânica (“UK Royal 
Society of Chemistry, RSC”) a lançou o periódico 
bimestral “Green Chemistry”. 
 
 Química verde (Conceito): 
 
 Desenho, desenvolvimento e implementação de 
produtos químicos e processos para reduzir ou 
eliminar o uso ou geração de substâncias nocivas à 
saúde humana e ao ambiente 
 
 Tecnologia limpa (Aplicações industriais - países 
com indústria química bastante desenvolvida e que 
apresentam controle rigoroso na emissão de 
poluentes) 
 
 Meio acadêmico (ensino e pesquisa) 
 
 Química verde: 
 
 Produtos e Processos relacionados: 
 
• i) Ao uso de fontes renováveis ou recicladas de 
matéria-prima; 
 
• ii) Ao aumento da eficiência de energia, ou a 
utilização de menos energia para produzir a mesma 
ou maior quantidade de produto; 
 
• iii) A evitar o uso de substâncias persistentes, 
bioacumulativas e tóxicas. 
 Química verde: 
 Áreas de atuação: 
• i) Uso de reagentes alternativos e renováveis, com o objetivo 
central de diminuir os reagentes tóxicos e não biodegradáveis 
no ambiente; 
• ii) Uso reagentes inócuos durante o processo de síntese para 
evitar perdas indesejáveis, aumentando o rendimento da 
produção; 
• iii) Na mudança de solventes tóxicos por outros solventes 
alternativos; 
• iv) No melhoramento dos processos naturais, tais como 
biosínteses, biocatálises; 
• v) No desenvolvimento de compostos seguros, isto é, com 
baixa toxicidade; 
• vi) No desenvolvimento de condições reacionais para se obter 
maior rendimento e menor geração de subprodutos e, por 
final, 
• vii) Na minimização do consumo de energia. 
Química Verde 
REDUÇÃO 
Materiais 
Energia 
Toxicidade 
Fontes 
não-renováveis 
Risco 
Resíduos 
Versão esquematizada daquilo que a química verde 
pretende conseguir 
Química Verde 
 Para aplicar esses conceitos na prática, é preciso 
primeiro ter uma visão geral de como é um processo 
químico industrial, cujo esquema é apresentado abaixo: 
PROCESSO 
QUÍMICO 
Energia 
Subprodutos 
Produto 
Resíduos 
Solventes Reagentes 
Materiais 
de partida 
Química Verde 
Materiais de partida (as matérias-primas) são convertidos 
Por meio do processo químico 
(sequência de reações químicas e operações unitárias se 
separação, secagem, transporte, mistura, resfriamento ou 
aquecimento, necessárias para às transformações pretendidas) 
Produto de interesse 
(Por meio da adição de reagentes e solventes e do uso de energia) 
Com a geração simultânea de subprodutos e de resíduos 
Química Verde 
●Atuação da química verde nesse processo genérico: 
 
a) Materiais de partida e produtos – Reduzindo quantidades e 
periculosidade, aumentando degradabilidade e eficiência, 
usando materiais renováveis; 
 
b) Reagentes e solventes – Reduzindo quantidades e 
periculosidade, reciclando-os e reutilizando-os, usando 
materiais alternativos ou eliminando seu uso. 
 
c) Energia – Otimizando seu uso (por intermédio de processos 
otimizados, equipamentos eficientes, redução de etapas), ou 
usando formas mais eficientes; 
 
d) Subprodutos – Aumentando a seletividade e a eficiência das 
reações. 
Química Verde 
e) Resíduos – Eliminando etapas do processo, aumentando 
eficiência e seletividade das reações, reduzindo 
periculosidade, reciclando e reutilizando. 
 
f) Processo químico – Reduzindo o número de etapas (de 
reações químicas e de operações unitárias necessárias), 
otimizando condições, usando equipamentos eficientes, 
reduzindo periculosidade e riscos inerentes. 
Os 12 princípios da química Verde 
10 – Evitar produção de resíduos; 
20 – Maximizar a economia de átomos; 
30 – Reduzir toxicidade; 
40 – Desenvolver produtos seguros e eficientes; 
50 – Eliminar/melhorar solventes e auxiliares de reação; 
60 – Otimizar uso deenergia; 
70 – Usar fontes renováveis; 
80 – Evitar derivados e múltiplas etapas; 
90 – Usar catalisadores; 
100 – Desenvolver produtos degradáveis; 
110 – Monitorar/controlar processos em tempo real; 
120 – Desenvolver processos seguros. 
 
 
 
 
Resumem-se à busca da redução de rejeitos, do uso de materiais e energia, 
do risco, da periculosidade e do custo de processos químicos. 
Os 12 princípios da química Verde 
●Primeiro Princípio: Prevenir a formação de resíduos (no lugar de seu 
tratamento) 
 
“ Evitar a produção do resíduo é melhor do que tratá-lo ou “limpá-lo” após 
sua geração”. 
 
A avaliação da quantidade de resíduos gerados num determinado processo e 
a decisão sobre qual processo é menos impactante, pode não ser uma tarefa 
simples. 
Uma das maneiras de avaliar a quantidade de resíduos gerados por um 
processo é o fator de eficiência (fator E), proposto inicialmente por Roger 
Sheldom. 
Os 12 princípios da química Verde 
E = massa resíduos (Kg)/massa produto (Kg) 
●Razão entre a massa de resíduos total e a massa de produto obtido num 
dado processo: quantos quilogramas de resíduos totais são gerados na 
produção de 1Kg de um produto de interesse. 
Devem ser considerados no cálculo dos resíduos as massas de : solvente 
utilizados (mesmo que sejam reciclados posteriormente), fases 
estacionárias para cromatografia, reagentes em excesso, efluentes líquidos 
e emissões gasosas geradas, catalisadores que precisem ser neutralizados 
ou não possam ser reaproveitados, agentes de secagem, resíduos de 
destilações, adsorventes, etc. 
Os 12 princípios da química Verde 
●Além de tentar reduzir o número de reações numa sequência reacional, é 
necessário reduzir o número de operações unitárias associadas 
(purificações, separações, etc), de modo a minimizar os resíduos. 
Indústria Produção anual 
(ton.) 
Fator E 
Refino de 
Petróleo 
106 - 108 < 0,1 
Química Fina 102 - 104 5 a 50 
Farmacêutica 10 - 102 
 
25 a 100 
A partir do momento em que se investe em tecnologias mais 
limpas de produção, não há necessidade de investimentos pesados 
no tratamento de resíduos, que nem sempre resolve 
satisfatoriamente o problema. 
Os 12 princípios da química Verde 
●Segundo Princípio: Economia de Átomos 
 
“ Deve-se procurar desenhar metodologias sintéticas que possam maximizar 
a incorporação de todos os materiais de partida no produto final” 
 
 
Em vez de gerar subprodutos ou produtos secundários 
 Pode ser medida pela eficiência atômica: determinada por meio da fração 
da massa dos reagentes que foi incorporada ao produto de interesse. 
Os 12 princípios da química Verde 
EA(%) =
ap x MMp
(aRi x MMRi)
x 100%
EA = % eficiência atômica; MMp = massa molar do produto; ap = coeficiente 
estequiométrico do produto na reação: MMRi = massa molar do reagente i; 
aRi = coeficiente estequiométrico do reagente i na reação 
Devemos somar as MMs de todos os reagentes utilizandos 
A eficiência atômica é uma medida da eficiência estequiométrica de uma 
reação 
Quantidade mínima que será necessariamente gerada toda vez que a reação 
for realizada, resultado de sua estequiometria 
Idealmente, o objetivo é utilizar reações químicas que incorporem a massa 
total de reagentes no produto desejado, fazendo com que o resíduo 
estequiométrico seja zero. 
Os 12 princípios da química Verde 
Os 12 princípios da química Verde 
 Espécie Fórmula 
Molecular 
Massa Molar 
(g/mol) 
 MM 
Reagentes Óleo Vegetal 
(1mol) 
C57H98O6 879,38 1.017,59 
 Etanol (3 mols) C2H6O 46,07 
Produto Biodiesel 
(3mols) 
C20H36O2 308,50 925,5 
EA(%) 90,9% 
 
Resultado: aproximadamente 10% dos átomos dos reagentes originais são 
perdidos em subprodutos (glicerina), apenas considerando a estequiometria 
da reação 
Não leva em consideração outros resíduos gerados (por exemplo, o 
catalisador básico e o ácido usados para a sua neutralização, o excesso de 
etanol, etc. 
Perdas de material original e os resíduos gerados podem ser bem maiores. 
 Exercício: 
 Em um laboratório de síntese orgânica, por exemplo, os estudantes 
devem calcular o rendimento teórico, com base no reagente limitante e, 
então, calcular o rendimento experimental da sua reação através da 
razão entre o rendimento obtido/rendimento teórico X 100. Tomemos 
como exemplo uma reação clássica de substituição nucleofílica, como a 
preparação de n-bromobutano a partir do n-butanol promovida por um 
ácido forte. Calcule %EA teórica e experimental da reação. 
Os 12 princípios da química Verde 
●Terceiro Princípio: Reduzir a toxicidade (de reagentes e produtos) 
 
Métodos sintéticos e processos devem ser planejados de modo a gerar 
apenas substâncias que tenham pouca ou nenhuma toxicidade em organismos 
vivos ou efeito no meio ambiente. 
 
 
●Quarto Princípio: Desenvolver produtos seguros e eficientes 
 
Produtos que tenham baixa ou nenhuma toxicidade, causem baixo ou 
nenhum dano ao serem introduzidos no meio ambiente e tenham uma baixa 
persistência, ou seja, elevada degradabilidade. 
 
Exemplo: síntese de pesticida baseado em materiais renováveis (é obtido 
por fermentação) que apresenta um modo de ação que atinge 
especificamente os insetos sensíveis, com baixa toxicidade ao homem. 
Os 12 princípios da química Verde 
 CONFIRMTM, um inseticida da família das diacil-hidrazinas, eficaz no 
controle de lagartas lepdópteras, que atacam diversas lavouras em 
todo o mundo. 
 
 A “EPA” classificou o CONFIRMTM como um inseticida de risco reduzido, 
que não traz prejuízo a outras formas de vida além daquela para a qual foi 
desenvolvido. 
 
 SEA-NINE® (agente biocida) – antilimo para emprego na proteção de 
cascos de navio (4,5-dicloro-2-n-octil-4-isotiazolina-3-ona (DCOI)) 
 
 Degrada rapidamente em produtos não tóxicos à vida marinha (meia-vida 
inferior a 1 h na água do mar) 
 
 Biocida tradicional - óxido de tributilestanho, considerado mutagênico e 
persistente (meia vida superior a 6 meses na água do mar). 
 
 Quinto Princípio: Eliminar ou tornar seguros solventes e outros auxiliares de 
reação 
 
 Deve-se eliminar por completo, reduzir o uso (por meio de otimização, reuso ou 
reciclagem) e/ou periculosidade de solventes e outros auxiliares de reação. 
 
 Porém, muitas reações utilizam grandes quantidades de solventes orgânicos, 
que são frequentemente tóxicos e nem sempre sua reutilização é viável 
economicamente. 
 
 Muitas vezes estes solventes são descartados na água, no ar e no solo, poluindo 
o ambiente. 
 
 Solventes verdes, como fluidos super críticos (particularmente CO2, a 31,1 oC 
e 73,8 atm), líquidos iônicos à temperatura ambiente e água (a água próxima 
do estado super crítico possui características semelhantes às da acetona, em 
termos de capacidade de dissolução e solvatação). 
 
 Alternativamente, as reações também podem ser efetuadas na ausência de 
solvente, o que também é bastante desejável quando se busca a redução de 
resíduos. 
 
 
Os 12 princípios da química Verde 
●Sexto Princípio: Otimizar o uso de energia 
 
O uso de energia deve ser feito da forma mais eficiente possível, quer 
seja através da otimização de processos (processos catalisados, feitos a 
temperaturas mais baixas e pressões menores), do uso de equipamentos 
mais eficientes ou de formas mais eficazes de energia (usar microondas 
no lugar de aquecimento por calor, por exemplo) 
 
A energia causa impacto ambiental para ser produzida 
Tanto em termos de geração de resíduos quanto de diminuição de recursos 
(danos históricos) 
Redução de seu uso irá diminuir os resíduos e impactos do processo 
Os 12 princípios da química Verde 
 Sétimo Princípio: Usar fontes renováveis de matérias-
primas 
 
 Os recursos renováveis devem sempre ter preferência na 
escolha de matérias-primas e reagentes, de modo a 
possibilitar maior sustentabilidade do processo. 
 
 Embora não sejam efetivamente biomassas, CO2 e metano 
são considerados renováveis, porque podem ser obtidostanto por métodos sintéticos como naturais. 
Glucose de milho 
Os 12 princípios da química Verde 
 
 Oitavo Princípio: Evitar derivação desnecessária 
 
O uso de grupos protetores ou o acréscimo de 
etapas por meio da produção de derivados devem ser 
evitados. 
É essencial o desenvolvimento de catalisadores mais 
efetivos, que promova maior seletividade das reações 
 Idealmente, uma síntese deve levar à molécula desejada a 
partir de: 
 
 Materiais de partida de baixo custo, 
 Facilmente obtidos, 
 Fonte renovável, 
 Uma única etapa, 
 Simples e ambientalmente aceitável, 
 Que se processe rapidamente e em rendimento quantitativo. 
 Além disso, o produto precisa ser separado da mistura da reação 
com 100% de pureza. 
 
 Obviamente, esta situação ainda é muito difícil de se 
conseguir. Entretanto, 
 
 deve-se buscar esta situação ideal, evitando etapas 
desnecessárias, como a derivatização excessiva 
●Nono Princípio: Catálise (catalisadores são preferíveis a reagentes) 
 
 Catalisadores efetivamente reaproveitáveis, preferencialmente 
heterogêneos (em virtude da maior facilidade de separação) são preferíveis 
a reações feitas sem catálise (mais lentas e com maior consumo de energia) 
ou a catalisadores que acabam sendo consumidos no processo durante a 
reação. 
 
 Exemplo: na obtenção do biodiesel, o catalisador básico utilizado (NaOH ou 
um alcoolato de sódio ou potássio) precisa ser neutralizado com ácido 
sulfúrico após a transesterificação 
Gerando um volume maior de resíduos (a base e o ácido consumidos, além do 
sal formado) 
Síntese do ácido adípico - utilizado na fabricação do nylon-6,6, presente em 
fibras de carpete, tapeçaria, reforço de pneus, partes de automóveis, etc. 
Os 12 princípios da química Verde 
●Décimo Princípio: Desenvolver produtos degradáveis após o término de 
sua vida útil 
 
 Os produtos devem ser desenvolvidos para serem ativos e estáveis 
durante sua vida útil, mas sofrerem degradação rápida no ambiente após o 
término dessa vida útil 
 É necessário controlar o tempo de persistência de um novo material no 
ambiente, por meio de produtos mais degradáveis 
●Décimo Primeiro Princípio: Monitorar/controlar processos em tempo real 
 
 O monitoramento e o controle de processos químicos em tempo real, que 
utilizem técnicas analíticas e algoritmos computacionais adequados, é 
essencial para a otimização desses processos 
 Evitando, assim, geração de subprodutos indesejáveis, desperdício de 
energia, materiais e outros elementos. 
 
 Décimo Segundo Princípio: Desenvolver processos intrinsecamente 
seguros 
 
 Processos químicos devem ser desenvolvidos com o objetivo de reduzir 
seu risco inerente, de modo a evitar danos extensivos caso haja um 
acidente ou problema com o processo. 
 
 Isso inclui: 
-O uso de reagentes e solventes seguros, com menor periculosidade e 
toxicidade; 
-Pressões e temperaturas aceitáveis, bem controladas; 
-Equipamento adequado e projetado para o fim específico a que se destina; 
-Mecanismos de controle e monitoramento do processo, de modo que falhas 
ou problemas sejam detectados antes que causem maiores consequências; 
 
 Caso ocorra acidente ou falha no processo, as consequências são limitadas 
pela própria baixa periculosidade do material, evitando tragédias. 
 
 Filosofia...