Kalkulátor atomové ekonomiky - Efektivita chemické reakce

Co je kalkulačka atomové hospodárnosti?

Kalkulačka atomové hospodárnosti vypočítá, jaká část hmotnosti výchozích látek chemické reakce skončí v požadovaném produktu, a ne ve vedlejších odpadních produktech. Porovnává relativní molekulovou hmotnost produktu s celkovou relativní molekulovou hmotností reaktantů na základě vyčíslené chemické rovnice. Výsledkem je procentní hodnota: atomová hospodárnost.

Vzorec atomové hospodárnosti

Atomová hospodárnost se vypočítá takto:

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

kde A je atomová hospodárnost v procentech, $M_p$ je relativní molekulová hmotnost požadovaného produktu a $M_r$ je celková relativní molekulová hmotnost všech reaktantů.

Ve vzorci se používají stechiometrické koeficienty z vyčíslené rovnice. Relativní molekulová hmotnost každého reaktantu se před sečtením vynásobí jeho koeficientem a relativní molekulová hmotnost produktu se vynásobí jeho vlastním koeficientem.

Atomovou hospodárnost zavedl chemik Barry M. Trost v roce 1991 jako způsob posouzení účinnosti návrhu reakce nezávisle na tom, jak dobře reakce probíhá v praxi.

Jak vypočítat atomovou hospodárnost

1. Zapište vyčíslenou chemickou rovnici reakce.
2. Určete relativní molekulovou hmotnost požadovaného produktu a zohledněte jeho stechiometrický koeficient z rovnice.
3. Sečtěte relativní molekulové hmotnosti všech reaktantů a každou z nich vynásobte příslušným stechiometrickým koeficientem.
4. Vydělte hmotnost produktu celkovou hmotností reaktantů a poté výsledek vynásobte hodnotou 100.

Koeficienty se zapisují před vzorec, tak jak se objevují v rovnici: 2H2O představuje dvě vzorcové jednotky vody. Vzorec zadaný bez koeficientu popisuje jinou, nevyčíslenou rovnici a poskytuje jiný výsledek.

Katalyzátory a rozpouštědla se do tohoto výpočtu nezahrnují. Katalyzátor napomáhá průběhu reakce, ale nespotřebovává se, takže se nepočítá mezi reaktanty. Rozpouštědla se obvykle také nestávají součástí produktu.

Příklad výpočtu: vodík a kyslík

Uvažujme vyčíslenou rovnici přípravy vody:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Při použití atomových hmotností H = 1,008 a O = 15,999, přičemž všechny hmotnosti jsou uvedeny v gramech na mol (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• celková hmotnost reaktantů = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

Atomová hospodárnost $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Každý atom reaktantů skončí v produktu, takže atomová hospodárnost je 100 %. To se očekává u správně vyčíslené rovnice s jediným produktem: hmotnost nelze vytvořit, takže hmotnost produktu nikdy nemůže překročit součet hmotností reaktantů, z nichž vznikl. Pokud výpočet poskytne hodnotu vyšší než 100 %, zadaná rovnice není správně vyčíslená.

Zápis stejné reakce bez vyčíslení, H₂ + O₂ → H₂O, nepopisuje skutečnou reakci a poskytuje jinou, nesmyslnou hodnotu: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96 %. Proto je nutné rovnici nejprve vyčíslit.

Příklad výpočtu: syntéza aspirinu

Aspirin se vyrábí z kyseliny salicylové a anhydridu kyseliny octové:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• kyselina salicylová (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• anhydrid kyseliny octové (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• celková hmotnost reaktantů: 240,21 g/mol
• aspirin (C₉H₈O₄, požadovaný produkt): 180,16 g/mol

Atomová hospodárnost $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

Zbývajících 25 % hmotnosti odchází z reakce jako kyselina octová, tedy vedlejší produkt. V průmyslové výrobě se tato kyselina octová běžně zachycuje a znovu používá, což pomáhá vyrovnat ztráty.

Jak výsledek číst

• 90–100%: většina atomů reaktantů skončí v produktu. Typické pro adiční reakce, při nichž nic nezůstává.
• 70–90%: dobrá účinnost, běžná u mnoha katalytických reakcí.
• 50–70%: střední účinnost. Substituční reakce, při nichž se jako odpad uvolňuje odstupující skupina, často spadají do tohoto rozmezí.
• Méně než 50 %: většina hmotnosti reaktantů se přemění na odpad, nikoli na produkt.

Tato rozmezí představují pouze hrubé vodítko. Složitý farmaceutický meziprodukt, pro nějž není k dispozici čistší postup, může být při hodnotě 65 % považován za přijatelný, zatímco u jednoduché velkoobjemové chemikálie s levnějšími alternativami by tomu tak nebylo.

Co atomová hospodárnost neměří

Atomová hospodárnost zohledňuje pouze reaktanty a produkt uvedené ve vyčíslené rovnici. Nezahrnuje rozpouštědla, katalyzátory ani energii potřebnou k provedení reakce. Reakce může mít vysokou atomovou hospodárnost a přesto spotřebovat velké množství rozpouštědla nebo vyžadovat extrémní teplotu či tlak. Pro úplnější posouzení chemici kombinují atomovou hospodárnost s dalšími ukazateli, například faktorem E (hmotnost odpadu dělená hmotností produktu) a intenzitou procesu z hlediska hmotnosti (celková použitá hmotnost dělená hmotností produktu).

Historie atomové hospodárnosti

Barry M. Trost, tehdy chemik na Wisconsinské univerzitě a později na Stanfordově univerzitě, představil koncept atomové hospodárnosti v článku z roku 1991 v časopise Science s názvem „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency“. Předtím chemici posuzovali reakci především podle výtěžku: jak blízko se množství získaného produktu přiblížilo teoretickému maximu. Trostova myšlenka přidala jinou otázku. Kolik hmotnosti reaktantů se i při vysokém výtěžku přemění na vedlejší produkty místo na požadovaný produkt?

V roce 1998 se atomová hospodárnost stala druhým z dvanácti principů zelené chemie, které ve své knize Green Chemistry: Theory and Practice formulovali Paul Anastas a John Warner. Od té doby se stala standardním ukazatelem vyučovaným v kurzech chemie a uváděným v mnoha výzkumných článcích o nových syntetických metodách.

Často kladené otázky

Co je atomová hospodárnost?

Atomová hospodárnost je procentní podíl hmotnosti reaktantů v chemické reakci, který skončí v požadovaném produktu. Určuje se vydělením relativní molekulové hmotnosti produktu celkovou relativní molekulovou hmotností reaktantů a následným vynásobením 100.

Jak se atomová hospodárnost liší od výtěžku?

Výtěžek udává, kolik produktu reakce skutečně vytvoří ve srovnání s teoretickým maximem při daném množství použité výchozí látky. Atomová hospodárnost měří něco jiného: jaká část hmotnosti reaktantů může vůbec skončit v produktu pouze na základě chemické podstaty reakce. Reakce může mít současně vysoký výtěžek a nízkou atomovou hospodárnost, pokud vedle produktu vytváří velké množství hmoty vedlejších produktů.

Může být atomová hospodárnost 100 %?

Ano. Adiční reakce, při nichž se molekuly reaktantů spojí bez uvolnění vedlejšího produktu, dosahují atomové hospodárnosti 100 %. Také přesmykové reakce, při nichž se atomy v molekule pouze přeskupí, mohou dosáhnout hodnoty 100 %. Reakce se 100 % atomovou hospodárností může být přesto celkově nevhodná, pokud má nízký výtěžek nebo jsou její reaktanty nebezpečné.

Zahrnuje atomová hospodárnost rozpouštědla a katalyzátory?

Ne. Katalyzátory se během reakce nespotřebovávají, takže se nepočítají mezi reaktanty. Rozpouštědla se obvykle také nezahrnují, pokud se jejich část nezabuduje do produktu. To znamená, že reakce může vykazovat vysokou atomovou hospodárnost a přesto spotřebovávat velké objemy rozpouštědla.

Jaká atomová hospodárnost je dobrá?

Hodnota nad 90 % se považuje za vynikající, 70–90% za dobrou a hodnota pod 50 % naznačuje, že většina hmotnosti reaktantů přijde nazmar. Co je přijatelné, závisí na reakci: složitý produkt, pro nějž není k dispozici lepší postup, může ospravedlnit nižší atomovou hospodárnost než jednoduchá chemikálie vyráběná ve velkém objemu.

Jak se při výpočtu používají koeficienty ve vyčíslené rovnici?

Každý reaktant i produkt musí používat své koeficienty z vyčíslené rovnice. Pro 2H₂ + O₂ → 2H₂O se hmotnost reaktantů vypočítá jako 2 × (hmotnost H₂) plus 1 × (hmotnost O₂) a hmotnost produktu jako 2 × (hmotnost H₂O). Vynechání koeficientů nebo použití nevyčíslené rovnice poskytne hodnotu, která nepopisuje skutečnou reakci.

Reference

1. Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471–1477.
2. Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press.
3. Sheldon, R. A. (2017). The E factor 25 years on: the rise of green chemistry and sustainability. Green Chemistry, 19(1), 18–43.