حاسبة اقتصاد الذرات - كفاءة التفاعل الكيميائي

ما حاسبة اقتصاد الذرة؟

تحسب حاسبة اقتصاد الذرة مقدار كتلة المواد الأولية لتفاعل كيميائي التي تنتهي في الناتج المطلوب، بدلاً من نواتج التفاعل الثانوية المهدرة. وتفعل ذلك بمقارنة الكتلة المولية للناتج مع مجموع الكتل المولية للمتفاعلات، باستخدام المعادلة الكيميائية الموزونة. والنتيجة نسبة مئوية تُسمى اقتصاد الذرة.

معادلة اقتصاد الذرة

يُحسب اقتصاد الذرة كما يلي:

$A = \frac{M_p}{M_r} \times 100$

حيث تمثل A اقتصاد الذرة كنسبة مئوية، وتمثل $M_p$ الكتلة المولية للناتج المطلوب، وتمثل $M_r$ مجموع الكتل المولية لجميع المتفاعلات.

تستخدم المعادلة المعاملات الواردة في المعادلة الموزونة. تُضرب الكتلة المولية لكل متفاعل في معامله قبل جمع الكتل، وتُضرب الكتلة المولية للناتج في معامله الخاص.

قدّم الكيميائي باري م. تروست مفهوم اقتصاد الذرة في 1991، بوصفه وسيلة لتقييم كفاءة تصميم التفاعل، بمعزل عن مدى نجاحه عملياً.

كيفية حساب اقتصاد الذرة

1. اكتب المعادلة الكيميائية الموزونة للتفاعل.
2. أوجد الكتلة المولية للناتج المطلوب، مستخدماً معامله في المعادلة.
3. اجمع الكتل المولية لجميع المتفاعلات، بعد ضرب كل منها في معامله.
4. اقسم كتلة الناتج على الكتلة الكلية للمتفاعلات، ثم اضرب في 100.

تُكتب المعاملات أمام الصيغة، كما تظهر في المعادلة: 2H2O تمثل وحدتي صيغة من الماء. أما الصيغة المدخلة من دون معامل، فتمثل معادلة مختلفة وغير موزونة وتعطي إجابة مختلفة.

تُستبعد العوامل الحفازة والمذيبات من هذا الحساب. فالعامل الحفاز يساعد على حدوث التفاعل لكنه لا يُستهلك، ولذلك لا يُعد متفاعلاً. كما أن المذيبات لا تصبح عادةً جزءاً من الناتج.

مثال محلول: الهيدروجين والأكسجين

لننظر في المعادلة الموزونة لتكوين الماء:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

باستخدام الأوزان الذرية H = 1.008 وO = 15.999، مع التعبير عن جميع الأوزان بالغرام لكل مول (غ/مول):

• 2 H₂ = 2 × 2.016 = 4.032 غرام/مول
• O₂ = 31.998 غرام/مول
• كتلة المتفاعلات الكلية = 4.032 + 31.998 = 36.030 غرام/مول
• 2 H₂O = 2 × 18.015 = 36.030 غرام/مول

اقتصاد الذرة $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

تنتهي كل ذرة في المتفاعلات في الناتج، ولذلك يبلغ اقتصاد الذرة 100%. وهذا متوقع في معادلة موزونة جيداً ذات ناتج واحد فقط: فلا يمكن خلق الكتلة، ولذلك لا يمكن أن تتجاوز كتلة الناتج أبداً الكتلة المجمعة للمتفاعلات التي كوّنته. وإذا نتجت قيمة أكبر من 100% من الحساب، فالمعادلة المدخلة غير موزونة بصورة صحيحة.

إن كتابة التفاعل نفسه من دون موازنته، على النحو H₂ + O₂ → H₂O، لا تصف تفاعلاً حقيقياً وتعطي رقماً مختلفاً بلا معنى: 18.015 ÷ (2.016 + 31.998) × 100 = 52.96%. ولهذا يجب وزن المعادلة أولاً.

مثال محلول: تخليق الأسبرين

يُصنع الأسبرين من حمض الساليسيليك وأنهيدريد الأسيتيك:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• حمض الساليسيليك (C₇H₆O₃): 138.12 غرام/مول
• أنهيدريد الأسيتيك (C₄H₆O₃): 102.09 غرام/مول
• كتلة المتفاعلات الكلية: 240.21 غرام/مول
• الأسبرين (C₉H₈O₄، الناتج المطلوب): 180.16 غرام/مول

اقتصاد الذرة $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

تغادر نسبة 25% المتبقية من الكتلة التفاعلَ على هيئة حمض الأسيتيك، وهو ناتج ثانوي. وفي الإنتاج الصناعي، يُستعاد حمض الأسيتيك عادةً ويُعاد استخدامه، مما يساعد على تعويض الفاقد.

قراءة النتيجة

• 90–100%: تنتهي معظم ذرات المتفاعلات في الناتج. وهذا نموذجي لتفاعلات الإضافة، حيث لا يتبقى شيء.
• 70–90%: كفاءة جيدة، وشائعة في كثير من التفاعلات الحفازة.
• 50–70%: كفاءة متوسطة. وغالباً ما تقع تفاعلات الاستبدال، التي تطلق مجموعة مغادرة بوصفها نفاية، ضمن هذا النطاق.
• أقل من 50%: تتحول معظم كتلة المتفاعلات إلى نفايات بدلاً من أن تصبح ناتجاً.

هذه النطاقات ليست سوى دليل تقريبي. فقد يُعد وسيط دوائي معقد لا يتوافر له مسار أنظف مقبولاً عند 65%، في حين لا يُعد كذلك مركب كيميائي بسيط يُنتج بكميات كبيرة مع توافر بدائل أرخص.

ما لا يقيسه اقتصاد الذرة

يأخذ اقتصاد الذرة في الحسبان المتفاعلات والناتج المكتوبين في المعادلة الموزونة فقط. ويستبعد المذيبات والعوامل الحفازة والطاقة اللازمة لتشغيل التفاعل. فقد يكون للتفاعل اقتصاد ذرة مرتفع، ومع ذلك يستخدم كمية كبيرة من المذيب أو يحتاج إلى درجة حرارة أو ضغط شديدين. وللحصول على صورة أشمل، يجمع الكيميائيون بين اقتصاد الذرة ومقاييس أخرى، مثل عامل E، أي كتلة النفايات مقسومة على كتلة الناتج، وشدة الكتلة في العملية، أي الكتلة الكلية المستخدمة مقسومة على كتلة الناتج.

تاريخ اقتصاد الذرة

قدّم باري م. تروست، وهو كيميائي كان يعمل آنذاك في جامعة ويسكونسن ثم في جامعة ستانفورد، مفهوم اقتصاد الذرة في بحث نُشر عام 1991 في مجلة Science بعنوان "اقتصاد الذرة—بحث عن الكفاءة التخليقية". وقبل ذلك، كان الكيميائيون يقيّمون التفاعل أساساً من خلال مردوده: مدى اقتراب كمية الناتج المحصل عليه من الحد الأقصى النظري. وأضافت فكرة تروست سؤالاً مختلفاً: حتى عند ارتفاع المردود، ما مقدار كتلة المتفاعلات التي ينتهي بها المطاف كنواتج ثانوية بدلاً من الناتج؟

في 1998، أصبح اقتصاد الذرة المبدأ الثاني من مبادئ الكيمياء الخضراء الاثني عشر، التي وضعها بول أناستاس وجون وارنر في كتابهما الكيمياء الخضراء: النظرية والتطبيق. ومنذ ذلك الحين، أصبح مقياساً معيارياً يُدرّس في مقررات الكيمياء ويُذكر في كثير من الأبحاث حول طرائق التخليق الجديدة.

الأسئلة الشائعة

ما اقتصاد الذرة؟

اقتصاد الذرة هو النسبة المئوية من كتلة المتفاعلات في تفاعل كيميائي التي تنتهي في الناتج المطلوب. ويُحسب بقسمة الكتلة المولية للناتج على مجموع الكتل المولية للمتفاعلات، ثم الضرب في 100.

كيف يختلف اقتصاد الذرة عن المردود؟

يقيس المردود مقدار الناتج الذي ينتجه التفاعل فعلياً مقارنةً بالحد الأقصى النظري، بالنظر إلى كمية المادة الأولية المستخدمة. أما اقتصاد الذرة فيقيس أمراً مختلفاً: مقدار كتلة المتفاعلات الذي يمكن أن ينتهي في الناتج، استناداً إلى كيمياء التفاعل وحدها. فقد يكون للتفاعل مردود مرتفع واقتصاد ذرة منخفض في الوقت نفسه، إذا أنتج كمية كبيرة من كتلة النواتج الثانوية إلى جانب الناتج.

هل يمكن أن يبلغ اقتصاد الذرة 100%؟

نعم. تصل تفاعلات الإضافة، التي تتحد فيها جزيئات المتفاعلات من دون إطلاق أي ناتج ثانوي، إلى اقتصاد ذرة يبلغ 100%. كما يمكن لتفاعلات إعادة الترتيب، التي تعيد تنظيم الذرات داخل الجزيء، أن تصل إلى 100%. ومع ذلك، قد يكون التفاعل ذو اقتصاد الذرة البالغ 100% خياراً سيئاً إجمالاً إذا كان مردوده منخفضاً أو كانت متفاعلاته خطرة.

هل يشمل اقتصاد الذرة المذيبات والعوامل الحفازة؟

لا. لا تُستهلك العوامل الحفازة أثناء التفاعل، ولذلك لا تُعد متفاعلات. ولا تُحتسب المذيبات عادةً أيضاً، إلا إذا أصبح جزء من المذيب مدمجاً في الناتج. وهذا يعني أن التفاعل قد يُظهر اقتصاد ذرة مرتفعاً مع استمرار استخدامه أحجاماً كبيرة من المذيب.

ما اقتصاد الذرة الجيد؟

يُعد ما يزيد على 90% ممتازاً، ويُعد 70–90% جيداً، بينما تشير النسبة الأقل من 50% إلى إهدار معظم كتلة المتفاعلات. ويعتمد ما يُعد مقبولاً على التفاعل: فقد يكون انخفاض اقتصاد الذرة مبرراً في حالة ناتج معقد لا يتوافر له مسار أفضل، مقارنةً بمركب كيميائي بسيط يُنتج بكميات كبيرة.

كيف تُستخدم المعاملات في المعادلة الموزونة في الحساب؟

يجب استخدام معاملات كل متفاعل والناتج كما وردت في المعادلة الموزونة. ففي 2H₂ + O₂ → 2H₂O، تستخدم كتلة المتفاعلات 2 × (كتلة H₂) مضافاً إليها 1 × (كتلة O₂)، بينما تستخدم كتلة الناتج 2 × (كتلة H₂O). إن تجاهل المعاملات أو استخدام معادلة غير موزونة يعطي رقماً لا يصف التفاعل الحقيقي.

المراجع

1. تروست، ب. م. (1991). اقتصاد الذرة—بحث عن كفاءة اصطناعية. Science، 254(5037)، 1471–1477.
2. أناستاس، ب. ت.، ووارنر، ج. س. (1998). الكيمياء الخضراء: النظرية والتطبيق. مطبعة جامعة أكسفورد.
3. شيلدون، ر. أ. (2017). عامل E بعد 25 عاماً: صعود الكيمياء الخضراء والاستدامة. Green Chemistry، 19(1)، 18–43.