---
title: "Kimia Hijau dan Proses Industri"
book: "Kimia Universitas — Tahun 3"
subject: chemistry
language: id
chapter: 31
exercises: 12
source: https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/31-kimia-hijau-dan-proses-industri
license: CC-BY-NC-SA-4.0
credit: "One Chemistry Book, One Course (one-course.com)"
---

# Bab 31 — Kimia Hijau dan Proses Industri

Ibuprofen dulu dibuat dalam enam tahap yang membuang massa lebih banyak daripada yang dipertahankannya: garam aluminium, natrium klorida, etanol, amonia, dan asam asetat meninggalkan pabrik untuk setiap kilogram obat. Sejak 1992, sebuah rute katalitik tiga tahap telah mengubah sebagian besar atom yang dipakainya menjadi produk, dan satu-satunya produk sampingnya, asam asetat, diperoleh kembali dan dijual. Bab ini memberi angka pada perbandingan-perbandingan semacam itu: [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy), [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor), dan [intensitas massa proses](#def-b3-green-industrial-pmi); lalu bab ini meninjau pelarut, energi, dan [penilaian daur hidup](#def-b3-green-industrial-lca), bagaimana beberapa proses kimia terbesar dibuat lebih bersih, dan apa yang diubah oleh [bahan baku terbarukan](#def-b3-green-industrial-feedstock) dan [enzim](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/13-kinetika-kompleks-rantai-enzim-dan-osilasi#def-b3-complex-kinetics-enzyme).

**Yang sudah kamu ketahui.**

Jilid sekolah memperkenalkan [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) dan [kimia hijau](#def-b3-green-industrial-green-chemistry); Jilid Tahun 1 membahas rendemen; Jilid Tahun 2 membahas reaktor, konversi, selektivitas, waktu tinggal, konversi sekali lewat, daur ulang dan purge, kenaikan suhu adiabatik, elektroliser, dan sel bahan bakar. [Bab 16](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/16-permukaan-adsorpsi-dan-katalisis-heterogen#ch-b3-surfaces-catalysis) dan [Bab 21](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/21-katalisis-homogen-dalam-industri#ch-b3-homogeneous-catalysis) membahas katalisis, [Bab 30](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/30-sintesis-total-strategi-dan-rute-klasik#ch-b3-total-synthesis) ukuran-ukuran sebuah rute sintesis.

![Sebuah biorefineri: tangki-tangki fermentasi dan kolom distilasi yang mengubah tanaman dan residunya menjadi bahan bakar dan bahan kimia platform.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-4/b3-green-industrial/img-e434a5170baa.jpg)

*Sebuah biorefineri: tangki-tangki fermentasi dan kolom distilasi yang mengubah tanaman dan residunya menjadi bahan bakar dan bahan kimia platform.*

## 31.1 Mengukur kehijauan

**Definisi 31.1 (Kimia hijau).**

Yang disebut *kimia hijau* adalah perancangan produk dan proses kimia yang mengurangi atau meniadakan pemakaian dan pembentukan zat berbahaya, yang diringkas dalam dua belas asas: mencegah limbah, memaksimalkan [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy), memakai dan membuat zat yang kurang berbahaya, merancang produk yang lebih aman, memakai pelarut yang lebih aman, menghemat energi, memakai [bahan baku terbarukan](#def-b3-green-industrial-feedstock), menghindari turunan yang tidak perlu, mengutamakan katalis daripada pereaksi stoikiometrik, merancang agar mudah terurai, memantau secara waktu nyata, dan memilih kimia yang secara inheren lebih aman.

**Definisi 31.2 (Ekonomi atom).**

Yang disebut *ekonomi atom* sebuah reaksi adalah massa molar produk yang dikehendaki dibagi dengan jumlah massa molar semua pereaksi dalam persamaan setara, dalam persen.

**Proposisi 31.3 (Ekonomi atom menurut golongan reaksi).**

Reaksi adisi dan penataan ulang memiliki [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) 100 %; substitusi dan eliminasi memiliki [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) yang lebih rendah.

**Bukti.** Dalam adisi, $\mathrm{A} + \mathrm{B} \to \mathrm{AB}$, atau penataan ulang, $\mathrm{A} \to \mathrm{A'}$, satu-satunya produk memuat semua atom pereaksi, sehingga massa molarnya sama dengan jumlah massa molar pereaksi. Sebuah substitusi, $\mathrm{A{-}X} + \mathrm{Y} \to \mathrm{A{-}Y} + \mathrm{X}$, atau eliminasi, $\mathrm{A} \to \mathrm{B} + \mathrm{C}$, menghasilkan produk kedua yang membawa pergi sebagian massa. ∎

**Definisi 31.4 (Faktor-E).**

Yang disebut *faktor-E* sebuah proses adalah massa limbah per massa produk. Dalam faktor-E lengkap, semua masukan yang tidak berakhir dalam produk dihitung sebagai limbah, termasuk pelarut dan air; faktor-E sederhana tidak memasukkan pelarut dan air.

**Definisi 31.5 (Intensitas massa proses).**

Yang disebut *intensitas massa proses* (PMI) adalah massa total bahan yang dimasukkan ke dalam sebuah proses (pereaksi, zat pembantu, pelarut, air) per massa produk.

**Proposisi 31.6 (PMI dan faktor-E).**

Untuk batas yang sama, $\mathrm{PMI} = E + 1$, dengan $E$ [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) lengkap.

**Bukti.** Menurut kekekalan massa, segala yang dimasukkan keluar sebagai produk atau sebagai limbah: $m_{\mathrm{in}} = m_{\mathrm{product}} + m_{\mathrm{waste}}$. Pembagian dengan $m_{\mathrm{product}}$ memberikan $\mathrm{PMI} = 1 + E$. ∎

**Definisi 31.7 (Efisiensi massa reaksi).**

Yang disebut *efisiensi massa reaksi* (RME) sebuah reaksi adalah massa produk yang diperoleh dibagi dengan massa total pereaksi yang dipakai.

**Proposisi 31.8 (RME dari rendemen dan ekonomi atom).**

$\mathrm{RME} = \mathrm{AE} \times \text{rendemen}/\mathrm{SF}$, dengan faktor stoikiometrik $\mathrm{SF} \ge 1$ sama dengan massa pereaksi yang dipakai dibagi dengan massa yang dituntut oleh persamaan setara.

**Bukti.** Untuk satu mol produk yang diharapkan, persamaan itu memerlukan massa pereaksi sebesar $\sum M_r$ dan percobaannya memakai $\mathrm{SF}\sum M_r$; percobaan itu memberikan $\text{rendemen} \times M_{\mathrm p}$ produk. Dengan membagi: $\mathrm{RME} = \text{rendemen}\,M_{\mathrm p}/(\mathrm{SF}\sum M_r) = \mathrm{AE} \times \text{rendemen}/\mathrm{SF}$. ∎

**Metode 31.9 (Menghitung ukuran-ukuran sebuah rute).**

1. Tuliskan persamaan setara setiap tahap dan hitunglah [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) rute itu dari semua pereaksi yang memasukinya.
2. Dari catatan batch, jumlahkan massa segala yang dimasukkan (pereaksi, zat pembantu, pelarut, air, bahan pengerjaan): PMI = total masuk / produk.
3. $E = \mathrm{PMI} - 1$ ; kurangkan aliran yang diperoleh kembali dan dipakai ulang jika aliran itu berada di dalam batas, dan nyatakan hal itu.
4. RME untuk setiap tahap: produk / pereaksi, untuk menemukan di mana bahan hilang (rendemen rendah, pereaksi berlebih, atau [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) yang buruk).

![Ekonomi atom dua rute menuju ibuprofen dan dua rute menuju etilena oksida (EO), serta faktor-E terkecil yang dimungkinkannya (semua rendemen 100 %, tanpa pelarut): E_ = (1 - AE)/ AE. Faktor-E yang sebenarnya, dengan rendemen di bawah 100 %, pereaksi berlebih, dan pelarut, lebih besar.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-4/b3-green-industrial/fig-8c8d0d5bd4da.svg)

*[Ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) dua rute menuju ibuprofen dan dua rute menuju etilena oksida (EO), serta [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) terkecil yang dimungkinkannya (semua rendemen 100 %, tanpa pelarut): $E_{\min} = (1 - \mathrm{AE})/\mathrm{AE}$. [Faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) yang sebenarnya, dengan rendemen di bawah 100 %, pereaksi berlebih, dan pelarut, lebih besar.*

## 31.2 Pelarut dan energi

Pelarut biasanya merupakan bagian terbesar massa sebuah proses kimia halus atau farmasi. Pedoman pemilihan pelarut memeringkatnya berdasarkan kriteria keselamatan, kesehatan, dan lingkungan: air, etanol, etil asetat, 2-metiltetrahidrofuran, dan anisol direkomendasikan; diklorometana, kloroform, benzena, heksana, dimetilformamida, dan 1,4-dioksana harus dihindari atau dilarang. Air, karbon dioksida superkritis (yang melarutkan senyawa nonpolar dan tidak meninggalkan residu ketika tekanannya dilepaskan), dan reaksi tanpa pelarut menyingkirkan masalah itu dari sumbernya.

**Metode 31.10 (Memakai pedoman pemilihan pelarut).**

1. Daftarlah apa yang harus dilakukan pelarut: melarutkan pereaksi, bertahan terhadap zat pembantu, mendidih pada suhu yang dapat dipakai, terpisah dari air dalam pengerjaan.
2. Pilihlah lebih dahulu dari golongan yang direkomendasikan; periksalah pernyataan bahayanya.
3. Jika pelarut yang bermasalah diperlukan, carilah pelarut yang direkomendasikan dengan fungsi yang sama (2-metiltetrahidrofuran untuk diklorometana atau THF dalam ekstraksi, etil asetat dan heptana untuk heksana dalam kromatografi).
4. Rencanakan perolehan kembalinya dengan distilasi, dan hitunglah bagian yang hilang dalam [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) .

**Definisi 31.11 (Intensifikasi proses).**

Yang disebut *intensifikasi proses* adalah perancangan ulang peralatan dan kondisi operasi agar sebuah proses menjadi jauh lebih kecil, lebih aman, atau lebih efisien: reaktor alir kontinu dengan volume kecil dan luas pertukaran kalor yang besar, distilasi reaktif, pemanasan gelombang mikro.

Dalam reaktor alir, hanya sejumlah kecil volume zat antara berbahaya yang ada pada setiap saat, dan kalor disingkirkan jauh lebih cepat daripada dalam bejana batch yang besar; reaksi yang akan lepas kendali dalam tangki dapat dijalankan pada suhu dan konsentrasi yang lebih tinggi. Katalis menggantikan pereaksi stoikiometrik, sehingga menghemat pereaksi itu sekaligus limbah yang akan dihasilkannya: asilasi Friedel–Crafts pada rute ibuprofen lama memakai aluminium klorida dalam jumlah stoikiometrik, yang dimusnahkan dalam pengerjaan; rute baru memakai hidrogen fluorida sebagai katalis dan pelarut, yang diperoleh kembali dan dipakai ulang.

## 31.3 Pemikiran daur hidup

**Definisi 31.12 (Penilaian daur hidup).**

Yang disebut *penilaian daur hidup* (LCA) adalah penilaian dampak lingkungan sebuah produk sepanjang hidupnya, dari ekstraksi bahan mentah sampai pembuangan. Penilaian itu dinyatakan per *satuan fungsional*, yaitu layanan yang diberikan (misalnya, satu kali mencuci satu muatan cucian), di dalam sebuah *batas sistem* yang menyatakan proses-proses mana yang disertakan. Yang disebut *penilaian dari buaian sampai gerbang* berhenti ketika produk meninggalkan pabrik.

![Tahap-tahap hidup sebuah produk dan dua batas sistem. Masukan dan keluaran diinventarisasi untuk setiap proses di dalam batas itu dan diubah menjadi kategori-kategori dampak (perubahan iklim, pengasaman, pemakaian air, toksisitas…) yang dinyatakan per satuan fungsional.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-4/b3-green-industrial/fig-71c71ab82f76.svg)

*Tahap-tahap hidup sebuah produk dan dua [batas sistem](#def-b3-green-industrial-lca). Masukan dan keluaran diinventarisasi untuk setiap proses di dalam batas itu dan diubah menjadi kategori-kategori dampak (perubahan iklim, pengasaman, pemakaian air, toksisitas…) yang dinyatakan per [satuan fungsional](#def-b3-green-industrial-lca).*

**Definisi 31.13 (Jejak karbon).**

Yang disebut *jejak karbon* sebuah produk adalah emisi gas rumah kaca sepanjang daur hidupnya, yang dinyatakan sebagai massa karbon dioksida dengan efek pemanasan yang sama.

**Metode 31.14 (Menyusun LCA komparatif).**

1. Nyatakan tujuan dan [satuan fungsionalnya](#def-b3-green-industrial-lca) : bandingkan apa yang memberikan layanan yang sama, bukan massa yang sama.
2. Gambarlah [batas sistem](#def-b3-green-industrial-lca) yang sama untuk kedua pilihan.
3. Inventarisasikan masukan dan keluaran setiap proses di dalamnya, beserta sumber data dan tanggalnya.
4. Ubahlah menjadi kategori dampak, lalu carilah kompromi-kompromi (karbon lebih rendah tetapi air lebih banyak) dan ujilah seberapa peka kesimpulannya terhadap data.

## 31.4 Proses-proses utama dan perbaikannya

**Proposisi 31.15 (Karbon dioksida dari amonia).**

Pembuatan amonia dengan hidrogen dari reformasi kukus metana melepaskan, dari bahan bakunya saja, $3/8$ mol $\ce{CO2}$ per mol $\ce{NH3}$: sekitar $0.97\,\mathrm{t}$ $\ce{CO2}$ per ton amonia.

**Bukti.** Reformasi yang diikuti reaksi geser air–gas secara keseluruhan adalah $\ce{CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2}$. Sintesisnya adalah $\ce{N2 + 3H2 -> 2NH3}$: dua mol amonia memerlukan tiga mol hidrogen, yaitu $3/4$ mol metana dan $3/4$ mol $\ce{CO2}$; per mol amonia, $3/8$. Satu ton amonia ($17.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$) adalah $5.88 \times 10^{4}\,\mathrm{mol}$, yang memberikan $2.21 \times 10^{4}\,\mathrm{mol} \times 44.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 0.97\,\mathrm{t}$ $\ce{CO2}$. Pembakaran metana untuk memasok kalor reformasi menambah lebih banyak lagi. ∎

Pabrik-pabrik amonia, yang membuat sekitar 150 juta ton nitrogen per tahun, termasuk sumber tunggal terbesar karbon dioksida industri; hidrogen dari elektrolisis dengan listrik rendah karbon, atau penangkapan karbon di reformer, adalah rute-rute untuk memangkasnya. Lingkar amonia itu sendiri, dengan konversi sekali lewatnya yang rendah, daur ulang gas yang tidak bereaksi, dan purge argon dan metana yang jika tidak demikian akan menumpuk, sudah efisien.

![Lingkar sintesis amonia: gas segar dicampur dengan gas daur ulang, dimampatkan, dan dialirkan di atas katalis; amonia diembunkan keluar, gas yang tidak bereaksi kembali, dan aliran purge yang kecil menyingkirkan gas-gas inert yang jika tidak demikian akan menumpuk.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-4/b3-green-industrial/fig-b7b281095186.svg)

*Lingkar sintesis amonia: gas segar dicampur dengan gas daur ulang, dimampatkan, dan dialirkan di atas katalis; amonia diembunkan keluar, gas yang tidak bereaksi kembali, dan aliran purge yang kecil menyingkirkan gas-gas inert yang jika tidak demikian akan menumpuk.*

Proses-proses besar lainnya memperlihatkan pelajaran yang sama. Proses kontak untuk asam sulfat begitu eksotermik sehingga pabrik modern mengekspor kukus dan listrik. Etilena oksida mula-mula dibuat melalui etilena klorohidrin, dengan kalsium klorida sebagai limbah; oksidasi langsung etilena dengan oksigen di atas perak, sebuah adisi dengan [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) 100 %, menggantikannya, dengan mengorbankan sebagian etilena yang terbakar menjadi karbon dioksida. Propilena oksida kini juga dibuat dengan hidrogen peroksida pada katalis [zeolit](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/23-material-anorganik-dan-nanomaterial#def-b3-inorganic-materials-zeolite) titanium, dengan air sebagai satu-satunya produk samping. Asam adipat, yang dibuat dengan mengoksidasi sikloheksanol dan sikloheksanon dengan asam nitrat, melepaskan dinitrogen oksida, gas rumah kaca yang kuat, yang kini dimusnahkan secara katalitik oleh pabrik-pabrik.

## 31.5 Bahan baku terbarukan dan biokatalisis

**Definisi 31.16 (Bahan baku terbarukan).**

Yang disebut *bahan baku terbarukan* adalah bahan mentah yang terisi kembali dalam skala waktu manusia, seperti biomassa tumbuhan. Yang disebut *molekul platform* adalah senyawa sederhana yang dibuat darinya dalam jumlah besar dan diubah menjadi banyak produk: etanol, asam laktat, asam suksinat, gliserol, asam levulinat, furfural, 5-(hidroksimetil)furfural.

**Definisi 31.17 (Biokatalisis).**

Yang disebut *biokatalisis* adalah pemakaian [enzim](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/13-kinetika-kompleks-rantai-enzim-dan-osilasi#def-b3-complex-kinetics-enzyme), yang diisolasi atau berada di dalam sel, sebagai katalis untuk transformasi kimia.

[Enzim](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/13-kinetika-kompleks-rantai-enzim-dan-osilasi#def-b3-complex-kinetics-enzyme) bekerja di dalam air di dekat suhu kamar dengan selektivitas yang luar biasa, dan evolusi terarah kini menyesuaikannya dengan substrat-substrat yang tidak alami: sebuah transaminase yang dievolusikan untuk tujuan itu menggantikan hidrogenasi asimetris yang dikatalisis rodium dalam pembuatan obat diabetes sitagliptin, dan ketoreduktase membuat banyak alkohol kiral. Karbon dioksida sendiri adalah bahan baku: urea dibuat darinya dan dari amonia, dan metanol darinya dan dari hidrogen. Polietilena tereftalat dapat didepolimerisasi melalui glikolisis atau metanolisis kembali menjadi monomer-monomernya, atau oleh [enzim](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/13-kinetika-kompleks-rantai-enzim-dan-osilasi#def-b3-complex-kinetics-enzyme) rekayasa, lalu dipolimerisasi ulang.

**Di laboratorium — Mengganti diklorometana dalam pengerjaan.**

Produk yang tadinya diekstraksi dari air dengan diklorometana kini diekstraksi dengan 2-metiltetrahidrofuran: pelarut itu dibuat dari biomassa, terpisah dengan bersih dari air (pelarut itu hanya sebagian bercampur), dan menjadi lapisan atas, bukan lapisan bawah, sehingga urutan operasi corong pisah berubah. Lapisan-lapisan organik dikeringkan, pelarutnya didistilasi pada tekanan rendah dan dikumpulkan untuk dipakai ulang.

**Keselamatan.**

![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-4/b3-green-industrial/fig-16b2e9efd290.svg)

![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-4/b3-green-industrial/fig-22a2832feada.svg)

![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-4/b3-green-industrial/fig-8f09793f6441.svg)

![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-4/b3-green-industrial/fig-ce8aa75a0f1b.svg)

Etilena oksida: gas bertekanan yang sangat mudah menyala, beracun jika terhirup, dapat menyebabkan kanker dan cacat genetik; zat itu hanya ada dalam sistem industri tertutup dan unit sterilisasi. Diklorometana diduga karsinogen, dan 2-metiltetrahidrofuran mudah menyala dan korosif terhadap mata: pelarut yang lebih hijau bukanlah pelarut yang tidak berbahaya.

**Sejarah — Dua belas asas dan satu angka.**

Paul Anastas dan John Warner menerbitkan dua belas asas [kimia hijau](#def-b3-green-industrial-green-chemistry) pada 1998. Roger Sheldon memperkenalkan [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) pada 1992, dengan mengamati bahwa industri kimia halus dan farmasi, meskipun kecil dalam tonase, menghasilkan jauh lebih banyak limbah per kilogram produk daripada kimia curah. Proses ibuprofen tiga tahap, yang dimulai pada 1992, menjadi salah satu contoh awal pendekatan baru itu.

## 31.6 Latihan

**Latihan 31.1 ★.**

Hitunglah [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) reaksi Diels–Alder butadiena dengan etena, esterifikasi asam asetat dengan etanol, dan reaksi Wittig benzaldehida dengan $\ce{Ph3P=CH2}$ (yang memberikan stirena dan trifenilfosfina oksida).

**Solusi Latihan 31.1.**

Diels–Alder: 100 % (sebuah adisi). Esterifikasi: $88.0/(60.0 + 46.0) = 83$ %. Wittig: $104.0/(106.0 + 276.0) = 27$ %, dengan trifenilfosfina oksida membawa pergi sebagian besar massa.

**Latihan 31.2 ★.**

Sebuah batch memakai 120 kg bahan (pereaksi, pelarut, dan air) dan memberikan 8.0 kg produk. Hitunglah PMI dan [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) lengkapnya.

**Solusi Latihan 31.2.**

$\mathrm{PMI} = 120/8.0 = 15$; $E = \mathrm{PMI} - 1 = 14$.

**Latihan 31.3 ★.**

Pilihlah [satuan fungsional](#def-b3-green-industrial-lca) untuk membandingkan dua deterjen cucian, dan jelaskan mengapa “satu kilogram serbuk” akan menjadi pilihan yang buruk.

**Solusi Latihan 31.3.**

Satu kali pencucian muatan standar pada suhu dan hasil kebersihan tertentu. Deterjen didosis secara berbeda: serbuk pekat memerlukan lebih sedikit per pencucian, sehingga massa yang sama tidak memberikan layanan yang sama.

**Latihan 31.4 ★.**

Usulkan pengganti yang lebih hijau untuk diklorometana dalam ekstraksi, heksana dalam kromatografi, dan DMF dalam kopling amida.

**Solusi Latihan 31.4.**

2-Metiltetrahidrofuran atau etil asetat untuk diklorometana; heptana (dengan etil asetat) untuk heksana; untuk DMF, etil asetat, 2-metiltetrahidrofuran, atau dimetil karbonat, atau kopling di dalam air dengan [surfaktan](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/17-antarmuka-surfaktan-dan-koloid#def-b3-colloids-surfactant), bergantung pada pereaksinya.

**Latihan 31.5 ★★.**

Esterifikasi 60.0 g asam asetat dengan 92.0 g etanol (dua kali jumlah stoikiometrik) memberikan 70.4 g etil asetat. Hitunglah rendemen, [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy), faktor stoikiometrik, dan RME, lalu periksalah hubungan di antara keempatnya.

**Solusi Latihan 31.5.**

1.000 mol asam; 0.800 mol ester ($88.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$): rendemen 80 %. AE 83.0 %. SF $= 152/106 = 1.43$. $\mathrm{RME} = 70.4/152 = 0.463$; $\mathrm{AE} \times \text{rendemen}/\mathrm{SF} = 0.830 \times 0.80/1.43 = 0.463$.

**Latihan 31.6 ★★.**

Hitunglah [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) rute klorohidrin dan rute oksidasi langsung menuju etilena oksida, serta massa kalsium klorida yang dibuat per ton etilena oksida oleh rute pertama.

**Solusi Latihan 31.6.**

Klorohidrin: $44.0/(28.0 + 71.0 + 74.1) = 25$ %; oksidasi langsung: 100 %. Satu mol $\ce{CaCl2}$ per mol etilena oksida: $1.0 \times 10^{6}\,\mathrm{g}/44.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} \times 111.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 2.5\,\mathrm{t}$ per ton.

**Latihan 31.7 ★★.**

Periksalah $\ce{CO2}$ per ton amonia pada bab ini, dan hitunglah $\ce{CO2}$ per ton hidrogen yang dibuat dengan reformasi kukus.

**Solusi Latihan 31.7.**

$3/8 \times 5.88 \times 10^{4}\,\mathrm{mol} \times 44.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 0.97\,\mathrm{t}$ $\ce{CO2}$ per ton amonia. Untuk hidrogen, $\ce{CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2}$: $1/4$ mol per mol, $5.0 \times 10^{5}\,\mathrm{mol}/4 \times 44.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 5.5\,\mathrm{t}$ $\ce{CO2}$ per ton hidrogen.

**Latihan 31.8 ★★.**

Hitunglah energi listrik minimum, dalam kWh, untuk membuat satu kilogram hidrogen dengan elektrolisis air cair pada $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$, dari $\Delta_rG^\circ$, serta energi dari $\Delta_rH^\circ$.

**Solusi Latihan 31.8.**

Satu kilogram adalah $500\,\mathrm{mol}$. Dari $\Delta_rG^\circ = 237.1\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$: $1.19 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ} = 32.9\,\mathrm{kWh}$. Dari $\Delta_rH^\circ = 285.8\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$: $39.7\,\mathrm{kWh}$ (selisihnya adalah kalor yang dapat dipasok oleh lingkungan).

**Latihan 31.9 ★★.**

Jika satu mol $\ce{N2O}$ terbentuk per mol asam adipat ($\ce{C6H10O4}$) dan potensi pemanasan global $\ce{N2O}$ adalah 273 (data latihan), hitunglah $\ce{N2O}$ dan ekuivalen $\ce{CO2}$-nya per ton asam adipat tanpa pengendalian emisi.

**Solusi Latihan 31.9.**

$1.0 \times 10^{6}\,\mathrm{g}/146.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 6.85 \times 10^{3}\,\mathrm{mol}$ $\ce{N2O}$, $0.30\,\mathrm{t}$; $\times 273 = 82\,\mathrm{t}$ ekuivalen $\ce{CO2}$ per ton asam adipat.

**Latihan 31.10 ★★★.**

Tunjukkan bahwa untuk serangkaian tahap, RME keseluruhan bukan hasil kali RME tahap-tahapnya jika pereaksi berlebih didaur ulang, dan jelaskan bagaimana daur ulang mengubah [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor).

**Solusi Latihan 31.10.**

RME sebuah tahap menghitung pereaksi berlebih sebagai terpakai; jika kelebihan itu diperoleh kembali dan diumpankan kembali, hanya bagian yang benar-benar hilang yang terpakai, dan efisiensi massa keseluruhannya lebih tinggi daripada hasil kali nilai-nilai tahapnya. Dalam [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor), aliran yang didaur ulang bukan limbah, asalkan daur ulang itu berada di dalam batas; energi dan kehilangannya kemudian harus dihitung.

**Latihan 31.11 ★★★.**

Sebuah perbaikan proses memangkas pelarut dalam satu tahap dari 20 L menjadi 5 L per kilogram produk (kerapatan pelarut $0.80\,\mathrm{kg}/\mathrm{L}$, 90 % diperoleh kembali dengan distilasi, sebelum dan sesudahnya; data latihan). Hitunglah perubahan [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) lengkapnya.

**Solusi Latihan 31.11.**

Sebelumnya: $20 \times 0.80 = 16\,\mathrm{kg}$ pelarut, 10 % hilang: $1.6\,\mathrm{kg}$ limbah. Sesudahnya: $4.0\,\mathrm{kg}$, $0.40\,\mathrm{kg}$ hilang. [Faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) lengkap turun 1.2 kg per kilogram produk (dan energi distilasi turun tiga perempatnya).

**Latihan 31.12 ★★★.**

Sebuah rute berbasis hayati menuju sebuah monomer memiliki [jejak karbon](#def-b3-green-industrial-carbon-footprint) yang lebih rendah tetapi memerlukan lebih banyak lahan dan air daripada rute petrokimia. Bagaimana LCA komparatif akan menyajikan hal ini, dan apa yang diperlukan untuk memutuskan di antara keduanya?

**Solusi Latihan 31.12.**

Per [satuan fungsional](#def-b3-green-industrial-lca) dan dengan batas yang sama, LCA itu akan melaporkan setiap kategori dampak secara terpisah (iklim, pemakaian lahan, pemakaian air…) dan bukan satu skor. Sebuah keputusan memerlukan bobot yang diberikan kepada kategori-kategori itu, kelangkaan air dan lahan setempat, ketidakpastian data, dan apakah bahan baku berbasis hayati itu bersaing dengan pangan.

## 31.7 Soal: Ibuprofen, Enam Tahap atau Tiga?

**Soal 31.1.**

Soal akhir pekan — ibuprofen, enam tahap atau tiga: ekonomi atom kedua rute, faktor-E-nya, katalis-katalis yang membuat perbedaan, dan limbah yang dihindari dalam setahun

Data soal, per ton ibuprofen. Rute tiga tahap: 0.71 t isobutilbenzena, 0.55 t anhidrida asetat, 0.010 t hidrogen, 0.14 t karbon monoksida, 0.05 t pelarut dan katalis yang hilang; 0.31 t asam asetat diperoleh kembali dan dijual. Rute enam tahap: 2.0 t pereaksi dan 1.5 t pelarut dan zat pembantu yang tidak diperoleh kembali. Sebuah pabrik membuat 3000 t ibuprofen per tahun.

**Bagian I — [Ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy).**

1. Tuliskan ketiga tahap rute katalitik itu.
2. Tuliskan persamaan keseluruhannya.
3. Hitunglah massa-massa molar yang terlibat dan [ekonomi atomnya](#def-b3-green-industrial-atom-economy) .
4. Daftarlah pereaksi-pereaksi rute enam tahap (asilasi Friedel–Crafts, kondensasi Darzens dengan etil kloroasetat dan natrium etoksida, hidrolisis dan dekarboksilasi, pembentukan oksim, dehidrasi menjadi nitril, hidrolisis).
5. Hitunglah [ekonomi atomnya](#def-b3-green-industrial-atom-economy) dari jumlah massa molar pereaksi-pereaksi itu (dengan dua molekul air).
6. Produk samping apakah yang meninggalkan rute lama?

**Bagian II — [Faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor).**

7. Hitunglah massa yang dimasukkan ke dalam rute baru per ton produk.
8. Hitunglah PMI dan [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) lengkapnya, dengan asam asetat dihitung sebagai limbah.
9. Hitunglah [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) jika asam asetat yang diperoleh kembali dihitung sebagai produk.
10. Hitunglah PMI dan [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) rute lama.
11. Mengapa [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) yang sebenarnya lebih besar daripada $(1 - \mathrm{AE})/\mathrm{AE}$ ?
12. Asas-asas manakah dari kedua belas asas itu yang diilustrasikan oleh perbedaan itu?

**Bagian III — Katalis.**

13. Apakah yang digantikan hidrogen fluorida dalam asilasi, dan mengapa hal itu penting?
14. Apakah yang mengkatalisis hidrogenasi keton menjadi alkohol?
15. Apakah yang mengkatalisis [karbonilasi](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/21-katalisis-homogen-dalam-industri#def-b3-homogeneous-catalysis-carbonylation) alkohol, dan kimia bab manakah itu?
16. Mengapa asam asetat menjadi produk samping pada kedua rute?
17. Bahaya apakah yang dibawa rute baru, dan bagaimana bahaya itu dikelola?
18. Mengapa tahap yang lebih sedikit juga berarti energi yang lebih sedikit?

**Bagian IV — Setahun.**

19. Hitunglah limbah rute lama untuk keluaran tahunan pabrik itu.
20. Hitunglah limbah rute baru (asam asetat dijual).
21. Hitunglah limbah yang dihindari per tahun.
22. Apakah [faktor-E](#def-b3-green-industrial-e-factor) yang lebih rendah selalu berarti dampak lingkungan yang lebih rendah?
23. Apakah yang akan ditambahkan oleh sebuah [penilaian daur hidup](#def-b3-green-industrial-lca) ?
24. Nyatakan hasilnya: [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) rute tiga tahap.

**Solusi Soal 31.1.**

**1.** $\ce{C10H14 + C4H6O3 -> C12H16O + C2H4O2}$ (HF); $\ce{C12H16O + H2 -> C12H18O}$ (nikel Raney); $\ce{C12H18O + CO -> C13H18O2}$ (paladium).

**2.** $\ce{C10H14 + C4H6O3 + H2 + CO -> C13H18O2 + C2H4O2}$.

**3.** $134.0 + 102.0 + 2.0 + 28.0 = 266.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ pereaksi; ibuprofen $206.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$: AE $= 206.0/266.0 = 77$ %.

**4.** Isobutilbenzena, anhidrida asetat, etil kloroasetat, natrium etoksida, asam berair ($\ce{H3O+}$), hidroksilamina, dan air.

**5.** $134.0 + 102.0 + 122.5 + 68.0 + 19.0 + 33.0 + 2 \times 18.0 = 514.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$: AE $= 206.0/514.5 = 40$ %.

**6.** Asam asetat, natrium klorida, etanol, karbon dioksida, air, amonia (sebagai garam amonium), dan garam aluminium dari aluminium klorida stoikiometrik.

**7.** $0.71 + 0.55 + 0.010 + 0.14 + 0.05 = 1.46\,\mathrm{t}$.

**8.** PMI 1.46; $E = 0.46$.

**9.** $0.46 - 0.31 = 0.15$.

**10.** PMI $= 2.0 + 1.5 = 3.5$; $E = 2.5$.

**11.** Rendemen di bawah 100 %, pereaksi berlebih, kehilangan pelarut dan katalis, serta bahan pengerjaan semuanya menambah limbah yang diabaikan oleh [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy).

**12.** Asas mencegah limbah, memaksimalkan [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy), dan memakai katalis yang menggantikan pereaksi stoikiometrik, serta menghindari turunan dan tahap yang tidak perlu dan menghemat energi.

**13.** Aluminium klorida stoikiometrik, yang terhidrolisis menjadi limbah aluminium dalam pengerjaan; hidrogen fluorida sekaligus menjadi katalis dan pelarut serta diperoleh kembali dan dipakai ulang.

**14.** Nikel Raney (katalis hidrogenasi heterogen).

**15.** Kompleks paladium fosfina: kimia [karbonilasi](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/21-katalisis-homogen-dalam-industri#def-b3-homogeneous-catalysis-carbonylation) pada [Bab 21](https://one-course.com/books/chemistry/4/id/chapter/21-katalisis-homogen-dalam-industri#ch-b3-homogeneous-catalysis).

**16.** Anhidrida asetat memindahkan satu gugus asetil; separuh lain molekulnya lepas sebagai asam asetat.

**17.** Hidrogen fluorida sangat beracun dan korosif, karbon monoksida beracun dan mudah menyala: peralatan tertutup dari bahan yang tahan, detektor, dan operator yang terlatih.

**18.** Setiap tahap menambah pemanasan, pendinginan, pemisahan, dan perolehan kembali pelarut; tiga tahap memerlukan lebih sedikit dari semua itu.

**19.** $2.5 \times 3000 = 7500\,\mathrm{t}$ per tahun.

**20.** $0.15 \times 3000 = 450\,\mathrm{t}$ per tahun.

**21.** Sekitar $7000\,\mathrm{t}$ limbah yang dihindari setiap tahun.

**22.** Tidak: jenis limbahnya penting (satu ton air garam bukan satu ton senyawa beracun yang persisten), demikian pula energi, emisi, dan bahaya pereaksi-pereaksinya.

**23.** Dampak pembuatan pereaksi dan energi di hulu, dampak emisi ke udara dan air, serta dampak pemakaian dan pembuangan produk, per [satuan fungsional](#def-b3-green-industrial-lca), dalam beberapa kategori dampak.

**24.** Rute katalitik tiga tahap memiliki [ekonomi atom](#def-b3-green-industrial-atom-economy) sekitar 77 % (40 % untuk rute enam tahap).