Изчислете атомната икономия, за да измерите колко ефективно атомите от реагентите стават част от желания продукт в химичните реакции. Основно за зелена химия, устойчив синтез и оптимизация на реакциите.
За балансирани реакции можете да включите коефициенти във формулите си:
Въведете валидни химически формули, за да видите визуализация
Атомната икономика е основен концепт в зелената химия, който измерва колко ефективно атомите от реагентите се вграждат в желаното изделие в химична реакция. Разработена от професор Бари Трост през 1991 г., атомната икономика представлява процента на атомите от началните материали, които стават част от полезния продукт, което я прави важен показател за оценка на устойчивостта и ефективността на химичните процеси. За разлика от традиционните изчисления на добив, които разглеждат само количеството получен продукт, атомната икономика се фокусира върху ефективността на атомно ниво, подчертавайки реакции, които губят по-малко атоми и генерират по-малко странични продукти.
Калькулаторът на атомната икономика позволява на химиците, студентите и изследователите бързо да определят атомната икономика на всяка химична реакция, като просто въведат химичните формули на реагентите и желаното изделие. Този инструмент помага за идентифициране на по-зелени синтетични маршрути, оптимизиране на реакционната ефективност и намаляване на генерирането на отпадъци в химичните процеси — ключови принципи в практиките на устойчивата химия.
Атомната икономика се изчислява с помощта на следната формула:
Този процент представлява колко атома от вашите начални материали завършват в целевия продукт, вместо да бъдат загубени като странични продукти. По-високата атомна икономика показва по-ефективна и екологично чиста реакция.
Атомната икономика предлага няколко предимства в сравнение с традиционните измервания на добив:
За да изчислите атомната икономика, трябва да:
За реакция: A + B → C + D (където C е желаното изделие)
Въведете формулата на продукта:
Добавете формули на реагенти:
Обработете балансираните уравнения:
Изчислете резултатите:
Калькулаторът предоставя три ключови информация:
Атомна икономика (%): Процентът на атомите от реагентите, които завършват в желаното изделие
Молекулна маса на продукта: Изчислената молекулна маса на желаното изделие
Обща молекулна маса на реагентите: Сумата на молекулните маси на всички реагенти
Калькулаторът също предоставя визуално представяне на атомната икономика, което улеснява разбирането на ефективността на вашата реакция на пръв поглед.
Атомната икономика се използва широко в химическата и фармацевтичната индустрия за:
Развитие на процеси: Оценка и сравнение на различни синтетични маршрути, за да се избере най-атомен-ефективният път
Зелено производство: Проектиране на по-устойчиви производствени процеси, които минимизират генерирането на отпадъци
Намаляване на разходите: Идентифициране на реакции, които правят по-ефективно използване на скъпи начални материали
Съответствие с регулациите: Спазване на все по-строги екологични регулации чрез намаляване на отпадъците
Обучение по зелена химия: Демонстриране на принципите на устойчивата химия на студентите
Планиране на изследвания: Помогнете на изследователите да проектират по-ефективни синтетични маршрути
Изисквания за публикации: Много списания сега изискват изчисления на атомната икономика за нови синтетични методи
Упражнения за студенти: Обучение на студентите по химия да оценяват ефективността на реакциите извън традиционния добив
Синтез на аспирин:
Реакция Хек (платин-катализирано свързване):
Click Chemistry (медно-катализирано циклоадиране на азид-алкини):
Докато атомната икономика е ценен показател, други допълнителни мерки включват:
E-фактор (екологичен фактор):
Ефективност на реакционната маса (RME):
Интензивност на процесната маса (PMI):
Въглеродна ефективност:
Концепцията за атомната икономика беше представена от професор Бари М. Трост от Станфордския университет през 1991 г. в неговата основополагаща статия "Атомната икономика — търсене на синтетична ефективност", публикувана в списание Science. Трост предложи атомната икономика като основен показател за оценка на ефективността на химичните реакции на атомно ниво, променяйки фокуса от традиционните измервания на добив.
Атомната икономика е променило основополагающо начина, по който химиците подхождат към проектирането на реакции, променяйки фокуса от максимизиране на добива към минимизиране на отпадъците на молекулярно ниво. Тази парадигмена промяна е довела до разработването на множество "атомно-икономични" реакции, включително:
1' Excel формула за изчисляване на атомната икономика
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' Пример със специфични стойности
5' За H2 + O2 → H2O
6' H2 MW = 2.016, O2 MW = 31.998, H2O MW = 18.015
7=(18.015/(2.016+31.998))*100
8' Резултат: 52.96%
91def calculate_atom_economy(product_formula, reactant_formulas):
2 """
3 Calculate atom economy for a chemical reaction.
4
5 Args:
6 product_formula (str): Chemical formula of the desired product
7 reactant_formulas (list): List of chemical formulas of reactants
8
9 Returns:
10 dict: Dictionary containing atom economy percentage, product weight, and reactants weight
11 """
12 # Dictionary of atomic weights
13 atomic_weights = {
14 'H': 1.008, 'He': 4.003, 'Li': 6.941, 'Be': 9.012, 'B': 10.811,
15 'C': 12.011, 'N': 14.007, 'O': 15.999, 'F': 18.998, 'Ne': 20.180,
16 # Add more elements as needed
17 }
18
19 def parse_formula(formula):
20 """Parse chemical formula and calculate molecular weight."""
21 import re
22 pattern = r'([A-Z][a-z]*)(\d*)'
23 matches = re.findall(pattern, formula)
24
25 weight = 0
26 for element, count in matches:
27 count = int(count) if count else 1
28 if element in atomic_weights:
29 weight += atomic_weights[element] * count
30 else:
31 raise ValueError(f"Unknown element: {element}")
32
33 return weight
34
35 # Calculate molecular weights
36 product_weight = parse_formula(product_formula)
37
38 reactants_weight = 0
39 for reactant in reactant_formulas:
40 if reactant: # Skip empty reactants
41 reactants_weight += parse_formula(reactant)
42
43 # Calculate atom economy
44 atom_economy = (product_weight / reactants_weight) * 100 if reactants_weight > 0 else 0
45
46 return {
47 'atom_economy': round(atom_economy, 2),
48 'product_weight': round(product_weight, 4),
49 'reactants_weight': round(reactants_weight, 4)
50 }
51
52# Example usage
53product = "H2O"
54reactants = ["H2", "O2"]
55result = calculate_atom_economy(product, reactants)
56print(f"Atom Economy: {result['atom_economy']}%")
57print(f"Product Weight: {result['product_weight']}")
58print(f"Reactants Weight: {result['reactants_weight']}")
591function calculateAtomEconomy(productFormula, reactantFormulas) {
2 // Atomic weights of common elements
3 const atomicWeights = {
4 H: 1.008, He: 4.003, Li: 6.941, Be: 9.012, B: 10.811,
5 C: 12.011, N: 14.007, O: 15.999, F: 18.998, Ne: 20.180,
6 Na: 22.990, Mg: 24.305, Al: 26.982, Si: 28.086, P: 30.974,
7 S: 32.066, Cl: 35.453, Ar: 39.948, K: 39.098, Ca: 40.078
8 // Add more elements as needed
9 };
10
11 function parseFormula(formula) {
12 const pattern = /([A-Z][a-z]*)(\d*)/g;
13 let match;
14 let weight = 0;
15
16 while ((match = pattern.exec(formula)) !== null) {
17 const element = match[1];
18 const count = match[2] ? parseInt(match[2], 10) : 1;
19
20 if (atomicWeights[element]) {
21 weight += atomicWeights[element] * count;
22 } else {
23 throw new Error(`Unknown element: ${element}`);
24 }
25 }
26
27 return weight;
28 }
29
30 // Calculate molecular weights
31 const productWeight = parseFormula(productFormula);
32
33 let reactantsWeight = 0;
34 for (const reactant of reactantFormulas) {
35 if (reactant.trim()) { // Skip empty reactants
36 reactantsWeight += parseFormula(reactant);
37 }
38 }
39
40 // Calculate atom economy
41 const atomEconomy = (productWeight / reactantsWeight) * 100;
42
43 return {
44 atomEconomy: parseFloat(atomEconomy.toFixed(2)),
45 productWeight: parseFloat(productWeight.toFixed(4)),
46 reactantsWeight: parseFloat(reactantsWeight.toFixed(4))
47 };
48}
49
50// Example usage
51const product = "C9H8O4"; // Аспирин
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // Салицилова киселина и оцетен анхидрид
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`Atom Economy: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`Product Weight: ${result.productWeight}`);
56console.log(`Reactants Weight: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # Atomic weights of common elements
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # Parse chemical formula using regex
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # Extract element symbol and count
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count
26 } else {
27 stop(paste("Unknown element:", element))
28 }
29 }
30
31 return(weight)
32 }
33
34 # Calculate molecular weights
35 product_weight <- parse_formula(product_formula)
36
37 reactants_weight <- 0
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # Skip empty reactants
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant)
41 }
42 }
43
44 # Calculate atom economy
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ))
52}
53
54# Пример за употреба
55product <- "CH3CH2OH" # Етанол
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # Етилен и вода
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants)
58cat(sprintf("Atom Economy: %.2f%%\n", result$atom_economy))
59cat(sprintf("Product Weight: %.4f\n", result$product_weight))
60cat(sprintf("Reactants Weight: %.4f\n", result$reactants_weight))
61Атомната икономика е мярка за това колко ефективно атомите от реагентите се вграждат в желаното изделие в химична реакция. Изчислява се, като се раздели молекулната маса на желаното изделие на общата молекулна маса на всички реагенти и се умножи по 100, за да се получи процент. По-високите проценти показват по-ефективни реакции с по-малко отпадъци.
Добивът на реакцията измерва колко продукт всъщност е получен в сравнение с теоретичния максимум, основан на лимитиращия реагент. Атомната икономика обаче измерва теоретичната ефективност на дизайна на реакцията на атомно ниво, независимо от това колко добре реакцията се представя в практиката. Реакция може да има висок добив, но лоша атомна икономика, ако генерира значителни странични продукти.
Атомната икономика е основен принцип на зелената химия, тъй като помага на химиците да проектират реакции, които по същество произвеждат по-малко отпадъци, като вграждат повече атоми от реагентите в желаното изделие. Това води до по-устойчиви процеси, намалено въздействие върху околната среда и често по-ниски производствени разходи.
Да, реакция може да има 100% атомна икономика, ако всички атоми от реагентите завършат в желаното изделие. Примери включват добавъчни реакции (като хидрогениране), циклоадирания (като реакции на Дилс-Алдер) и пренареждащи реакции, при които не се губят атоми като странични продукти.
Обикновено изчисленията на атомната икономика не включват разтворители или катализатори, освен ако не бъдат включени в крайния продукт. Това е така, защото катализаторите се регенерират в цикъла на реакцията, а разтворителите обикновено се възстановяват или отделят от продукта. Въпреки това, по-комплексни метрики на зелената химия, като E-фактор, вземат предвид тези допълнителни материали.
За да подобрите атомната икономика:
Докато по-високата атомна икономика обикновено е желателна, тя не трябва да бъде единственото съображение при оценка на реакция. Други фактори, като безопасност, енергийни изисквания, добив на реакцията и токсичността на реагентите и страничните продукти, също са важни. Понякога реакция с по-ниска атомна икономика може да е предпочитана, ако има други значителни предимства.
За реакции с множество желани продукти можете или:
Подходът зависи от вашите конкретни цели на анализа.
Да, изчисленията на атомната икономика трябва да използват правилно балансирани химични уравнения, които отразяват правилната стехиометрия на реакцията. Коефициентите в балансираното уравнение влияят на относителните количества реагенти и следователно на общата молекулна маса на реагентите, използвани в изчислението.
Расчеты атомной экономики могут быть очень точными при использовании точных атомных масс и правильно сбалансированных уравнений. Однако они представляют собой теоретическую максимальную эффективность и не учитывают практические проблемы, такие как неполные реакции, побочные реакции или потери при очистке, которые влияют на реальные процессы.
Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471-1477. https://doi.org/10.1126/science.1962206
Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press.
Sheldon, R. A. (2017). The E factor 25 years on: the rise of green chemistry and sustainability. Green Chemistry, 19(1), 18-43. https://doi.org/10.1039/C6GC02157C
Dicks, A. P., & Hent, A. (2015). Green Chemistry Metrics: A Guide to Determining and Evaluating Process Greenness. Springer.
American Chemical Society. (2023). Green Chemistry. Retrieved from https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry.html
Constable, D. J., Curzons, A. D., & Cunningham, V. L. (2002). Metrics to 'green' chemistry—which are the best? Green Chemistry, 4(6), 521-527. https://doi.org/10.1039/B206169B
Andraos, J. (2012). The algebra of organic synthesis: green metrics, design strategy, route selection, and optimization. CRC Press.
EPA. (2023). Green Chemistry. Retrieved from https://www.epa.gov/greenchemistry
Калькулаторът на атомната икономика предоставя мощен инструмент за оценка на ефективността и устойчивостта на химичните реакции на атомно ниво. Като се фокусира върху това колко ефективно атомите от реагентите се вграждат в желаните продукти, химиците могат да проектират по-зелени процеси, които минимизират генерирането на отпадъци.
Независимо дали сте студент, който учи принципите на зелената химия, изследовател, който разработва нови синтетични методи, или индустриален химик, който оптимизира производствените процеси, разбирането и прилагането на атомната икономика може да доведе до по-устойчиви химически практики. Калькулаторът прави този анализ достъпен и прост, помагайки за напредъка на целите на зелената химия в различни области.
Като включите съображения за атомната икономика в проектирането и избора на реакции, можем да работим за бъдеще, в което химическите процеси не само са с висок добив и икономически ефективни, но също така и екологично отговорни и устойчиви.
Опитайте Калькулатора на атомната икономика днес, за да анализирате вашите химични реакции и да откриете възможности за по-зелена химия!
Открийте още инструменти, които може да бъдат полезни за вашия работен процес