Berechnen Sie die Atomwirtschaft, um zu messen, wie effizient Atome aus Reaktanten Teil Ihres gewünschten Produkts in chemischen Reaktionen werden. Wesentlich für grüne Chemie, nachhaltige Synthese und Reaktionsoptimierung.
Für ausgeglichene Reaktionen können Sie Koeffizienten in Ihren Formeln verwenden:
Geben Sie gültige chemische Formeln ein, um die Visualisierung zu sehen
Atomwirtschaft ist ein grundlegendes Konzept der grünen Chemie, das misst, wie effizient Atome aus Reaktanten in das gewünschte Produkt einer chemischen Reaktion integriert werden. Entwickelt von Professor Barry Trost im Jahr 1991, stellt die Atomwirtschaft den Prozentsatz der Atome aus den Ausgangsmaterialien dar, die Teil des nützlichen Produkts werden, und ist damit eine entscheidende Kennzahl zur Bewertung der Nachhaltigkeit und Effizienz chemischer Prozesse. Im Gegensatz zu traditionellen Ertragsberechnungen, die nur die Menge des erhaltenen Produkts berücksichtigen, konzentriert sich die Atomwirtschaft auf die atomare Effizienz und hebt Reaktionen hervor, die weniger Atome verschwenden und weniger Nebenprodukte erzeugen.
Der Atomwirtschaftsrechner ermöglicht Chemikern, Studenten und Forschern, die Atomwirtschaft jeder chemischen Reaktion schnell zu bestimmen, indem sie einfach die chemischen Formeln der Reaktanten und des gewünschten Produkts eingeben. Dieses Tool hilft, umweltfreundlichere Syntheserouten zu identifizieren, die Reaktionseffizienz zu optimieren und die Abfallproduktion in chemischen Prozessen zu reduzieren – Schlüsselprinzipien nachhaltiger Chemiepraktiken.
Die Atomwirtschaft wird mit der folgenden Formel berechnet:
Dieser Prozentsatz gibt an, wie viele Atome aus Ihren Ausgangsmaterialien in Ihrem Zielprodukt enden, anstatt als Nebenprodukte verschwendet zu werden. Eine höhere Atomwirtschaft weist auf eine effizientere und umweltfreundlichere Reaktion hin.
Die Atomwirtschaft bietet mehrere Vorteile gegenüber traditionellen Ertragsmessungen:
Um die Atomwirtschaft zu berechnen, müssen Sie:
Für eine Reaktion: A + B → C + D (wobei C das gewünschte Produkt ist)
Geben Sie die Produktformel ein:
Fügen Sie Reaktantenformeln hinzu:
Umgang mit ausgeglichenen Gleichungen:
Berechnen Sie die Ergebnisse:
Der Rechner liefert drei wichtige Informationen:
Atomwirtschaft (%): Der Prozentsatz der Atome aus Reaktanten, die im gewünschten Produkt enden
Molekulargewicht des Produkts: Das berechnete Molekulargewicht Ihres gewünschten Produkts
Gesamtmolekulargewicht der Reaktanten: Die Summe der Molekulargewichte aller Reaktanten
Der Rechner bietet auch eine visuelle Darstellung der Atomwirtschaft, die es einfacher macht, die Effizienz Ihrer Reaktion auf einen Blick zu verstehen.
Die Atomwirtschaft wird in der chemischen und pharmazeutischen Industrie weit verbreitet genutzt, um:
Prozessentwicklung: Verschiedene synthetische Routen zu bewerten und zu vergleichen, um den atom-effizientesten Weg auszuwählen
Grüne Herstellung: Nachhaltigere Produktionsprozesse zu entwerfen, die die Abfallproduktion minimieren
Kostenreduzierung: Reaktionen zu identifizieren, die effizienter mit teuren Ausgangsmaterialien umgehen
Regulatorische Einhaltung: Zunehmend strengen Umweltvorschriften durch Abfallreduzierung gerecht zu werden
Lehre der grünen Chemie: Nachhaltigkeitsprinzipien den Studenten zu demonstrieren
Forschungsplanung: Forschern zu helfen, effizientere synthetische Routen zu entwerfen
Veröffentlichungsanforderungen: Viele Fachzeitschriften verlangen jetzt Atomwirtschaftsberechnungen für neue synthetische Methoden
Studentenübungen: Chemie-Studenten zu schulen, um die Reaktionseffizienz über den traditionellen Ertrag hinaus zu bewerten
Aspirin-Synthese:
Heck-Reaktion (palladium-katalysierte Kopplung):
Click-Chemie (kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition):
Während die Atomwirtschaft eine wertvolle Kennzahl ist, umfassen andere ergänzende Maßnahmen:
E-Faktor (Umweltfaktor):
Reaktionsmasseffizienz (RME):
Prozessmasseintensität (PMI):
Kohlenstoffeffizienz:
Das Konzept der Atomwirtschaft wurde 1991 von Professor Barry M. Trost von der Stanford University in seinem wegweisenden Artikel "The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency", veröffentlicht in der Zeitschrift Science, eingeführt. Trost schlug die Atomwirtschaft als grundlegende Kennzahl zur Bewertung der Effizienz chemischer Reaktionen auf atomarer Ebene vor und verschob den Fokus von traditionellen Ertragsmessungen.
Die Atomwirtschaft hat grundlegend verändert, wie Chemiker Reaktionsdesigns angehen, indem der Fokus von der Maximierung des Ertrags auf die Minimierung von Abfall auf molekularer Ebene verschoben wurde. Dieser Paradigmenwechsel hat zur Entwicklung zahlreicher "atomwirtschaftlicher" Reaktionen geführt, darunter:
1' Excel-Formel zur Berechnung der Atomwirtschaft
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' Beispiel mit spezifischen Werten
5' Für 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' Ergebnis: 52.96%
91def calculate_atom_economy(product_formula, reactant_formulas):
2 """
3 Berechnet die Atomwirtschaft für eine chemische Reaktion.
4
5 Args:
6 product_formula (str): Chemische Formel des gewünschten Produkts
7 reactant_formulas (list): Liste der chemischen Formeln der Reaktanten
8
9 Returns:
10 dict: Dictionary mit dem Prozentsatz der Atomwirtschaft, dem Produktgewicht und dem Reaktantengewicht
11 """
12 # Dictionary der Atomgewichte
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 # Fügen Sie bei Bedarf weitere Elemente hinzu
17 }
18
19 def parse_formula(formula):
20 """Analysiert die chemische Formel und berechnet das molekulare Gewicht."""
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"Unbekanntes Element: {element}")
32
33 return weight
34
35 # Molekulargewichte berechnen
36 product_weight = parse_formula(product_formula)
37
38 reactants_weight = 0
39 for reactant in reactant_formulas:
40 if reactant: # Leere Reaktanten überspringen
41 reactants_weight += parse_formula(reactant)
42
43 # Atomwirtschaft berechnen
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# Beispielverwendung
53product = "H2O"
54reactants = ["H2", "O2"]
55result = calculate_atom_economy(product, reactants)
56print(f"Atomwirtschaft: {result['atom_economy']}%")
57print(f"Produktgewicht: {result['product_weight']}")
58print(f"Reaktantengewicht: {result['reactants_weight']}")
591function calculateAtomEconomy(productFormula, reactantFormulas) {
2 // Atomgewichte gängiger Elemente
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 // Fügen Sie bei Bedarf weitere Elemente hinzu
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(`Unbekanntes Element: ${element}`);
24 }
25 }
26
27 return weight;
28 }
29
30 // Molekulargewichte berechnen
31 const productWeight = parseFormula(productFormula);
32
33 let reactantsWeight = 0;
34 for (const reactant of reactantFormulas) {
35 if (reactant.trim()) { // Leere Reaktanten überspringen
36 reactantsWeight += parseFormula(reactant);
37 }
38 }
39
40 // Atomwirtschaft berechnen
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// Beispielverwendung
51const product = "C9H8O4"; // Aspirin
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // Salicylsäure und Essigsäureanhydrid
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`Atomwirtschaft: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`Produktgewicht: ${result.productWeight}`);
56console.log(`Reaktantengewicht: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # Atomgewichte gängiger Elemente
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # Analysiert die chemische Formel mit Regex
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # Extrahiert das Elementsymbol und die Anzahl
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count
26 } else {
27 stop(paste("Unbekanntes Element:", element))
28 }
29 }
30
31 return(weight)
32 }
33
34 # Molekulargewichte berechnen
35 product_weight <- parse_formula(product_formula)
36
37 reactants_weight <- 0
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # Leere Reaktanten überspringen
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant)
41 }
42 }
43
44 # Atomwirtschaft berechnen
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ))
52}
53
54# Beispielverwendung
55product <- "CH3CH2OH" # Ethanol
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # Ethen und Wasser
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants)
58cat(sprintf("Atomwirtschaft: %.2f%%\n", result$atom_economy))
59cat(sprintf("Produktgewicht: %.4f\n", result$product_weight))
60cat(sprintf("Reaktantengewicht: %.4f\n", result$reactants_weight))
61Atomwirtschaft ist ein Maß dafür, wie effizient Atome aus Reaktanten in das gewünschte Produkt einer chemischen Reaktion integriert werden. Sie wird berechnet, indem das molekulare Gewicht des gewünschten Produkts durch das gesamte molekulare Gewicht aller Reaktanten geteilt und mit 100 multipliziert wird, um einen Prozentsatz zu erhalten. Höhere Prozentsätze weisen auf effizientere Reaktionen mit weniger Abfall hin.
Die Reaktionsausbeute misst, wie viel Produkt tatsächlich im Vergleich zur theoretischen maximalen Menge basierend auf dem begrenzenden Reagenz erhalten wird. Die Atomwirtschaft hingegen misst die theoretische Effizienz eines Reaktionsdesigns auf atomarer Ebene, unabhängig davon, wie gut die Reaktion in der Praxis funktioniert. Eine Reaktion kann eine hohe Ausbeute, aber eine schlechte Atomwirtschaft haben, wenn sie signifikante Nebenprodukte erzeugt.
Die Atomwirtschaft ist ein grundlegendes Prinzip der grünen Chemie, da sie Chemikern hilft, Reaktionen zu entwerfen, die von Natur aus weniger Abfall produzieren, indem sie mehr Atome aus Reaktanten in das gewünschte Produkt integrieren. Dies führt zu nachhaltigeren Prozessen, reduziert die Umweltauswirkungen und senkt oft die Produktionskosten.
Ja, eine Reaktion kann eine Atomwirtschaft von 100% haben, wenn alle Atome aus den Reaktanten im gewünschten Produkt enden. Beispiele hierfür sind Additionsreaktionen (wie die Hydrierung), Cycloadditionen (wie Diels-Alder-Reaktionen) und Umlagerungsreaktionen, bei denen keine Atome als Nebenprodukte verloren gehen.
Typischerweise werden Lösungsmittel oder Katalysatoren in den Berechnungen zur Atomwirtschaft nicht einbezogen, es sei denn, sie werden in das endgültige Produkt integriert. Dies liegt daran, dass Katalysatoren im Reaktionszyklus regeneriert werden und Lösungsmittel normalerweise vom Produkt zurückgewonnen oder getrennt werden. Allerdings berücksichtigen umfassendere Kennzahlen der grünen Chemie wie E-Faktor diese zusätzlichen Materialien.
Um die Atomwirtschaft zu verbessern:
Während eine höhere Atomwirtschaft im Allgemeinen wünschenswert ist, sollte sie nicht das einzige Kriterium bei der Bewertung einer Reaktion sein. Andere Faktoren wie Sicherheit, Energieanforderungen, Reaktionsausbeute und die Toxizität von Reagenzien und Nebenprodukten sind ebenfalls wichtig. Manchmal kann eine Reaktion mit niedrigerer Atomwirtschaft vorzuziehen sein, wenn sie andere signifikante Vorteile bietet.
Für Reaktionen mit mehreren gewünschten Produkten können Sie entweder:
Der Ansatz hängt von Ihren spezifischen Analysezielen ab.
Ja, die Berechnungen zur Atomwirtschaft müssen ordnungsgemäß ausgeglichene chemische Gleichungen verwenden, die die korrekte Stöchiometrie der Reaktion widerspiegeln. Die Koeffizienten in der ausgeglichenen Gleichung beeinflussen die relativen Mengen der Reaktanten und damit das gesamte molekulare Gewicht der Reaktanten, das in die Berechnung einfließt.
Berechnungen zur Atomwirtschaft können sehr präzise sein, wenn genaue Atomgewichte und ordnungsgemäß ausgeglichene Gleichungen verwendet werden. Sie stellen jedoch eine theoretische maximale Effizienz dar und berücksichtigen nicht praktische Probleme wie unvollständige Reaktionen, Nebenreaktionen oder Verluste bei der Reinigung, die reale Prozesse beeinflussen.
Trost, B. M. (1991). Die Atomwirtschaft – eine Suche nach synthetischer Effizienz. Science, 254(5037), 1471-1477. https://doi.org/10.1126/science.1962206
Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Grüne Chemie: Theorie und Praxis. Oxford University Press.
Sheldon, R. A. (2017). Der E-Faktor 25 Jahre später: Der Aufstieg der grünen Chemie und Nachhaltigkeit. Green Chemistry, 19(1), 18-43. https://doi.org/10.1039/C6GC02157C
Dicks, A. P., & Hent, A. (2015). Grüne Chemiekenngrößen: Ein Leitfaden zur Bestimmung und Bewertung der Prozessgrünheit. Springer.
American Chemical Society. (2023). Grüne Chemie. Abgerufen von https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry.html
Constable, D. J., Curzons, A. D., & Cunningham, V. L. (2002). Kennzahlen zur "Grünheit" der Chemie – welche sind die besten? Green Chemistry, 4(6), 521-527. https://doi.org/10.1039/B206169B
Andraos, J. (2012). Die Algebra der organischen Synthese: grüne Kennzahlen, Entwurfsstrategie, Routenwahl und Optimierung. CRC Press.
EPA. (2023). Grüne Chemie. Abgerufen von https://www.epa.gov/greenchemistry
Der Atomwirtschaftsrechner bietet ein leistungsstarkes Tool zur Bewertung der Effizienz und Nachhaltigkeit chemischer Reaktionen auf atomarer Ebene. Durch den Fokus darauf, wie effektiv Atome aus Reaktanten in gewünschte Produkte integriert werden, können Chemiker umweltfreundlichere Prozesse entwerfen, die die Abfallproduktion minimieren.
Egal, ob Sie ein Student sind, der die Prinzipien der grünen Chemie lernt, ein Forscher, der neue synthetische Methoden entwickelt, oder ein industrieller Chemiker, der Produktionsprozesse optimiert, das Verständnis und die Anwendung der Atomwirtschaft können zu nachhaltigeren chemischen Praktiken führen. Der Rechner macht diese Analyse zugänglich und unkompliziert und hilft, die Ziele der grünen Chemie in verschiedenen Bereichen voranzutreiben.
Durch die Berücksichtigung der Atomwirtschaft bei der Reaktionsgestaltung und -auswahl können wir auf eine Zukunft hinarbeiten, in der chemische Prozesse nicht nur ertragreich und kosteneffektiv, sondern auch umweltverantwortlich und nachhaltig sind.
Versuchen Sie noch heute den Atomwirtschaftsrechner, um Ihre chemischen Reaktionen zu analysieren und Möglichkeiten für grünere Chemie zu entdecken!
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