Aatomi ökonoomika kalkulaator - Keemilise reaktsiooni efektiivsus

Mis on aatomiökonoomia kalkulaator?

Aatomiökonoomia kalkulaator arvutab, kui suur osa keemilise reaktsiooni lähteainete massist jõuab soovitud saadusse, mitte jäätmetena kõrvalsaadustesse. Selleks võrdleb ta saaduse molekulmassi lähteainete molekulmasside summaga, kasutades tasakaalustatud keemilist võrrandit. Tulemuseks on protsent: aatomiökonoomia.

Aatomiökonoomia valem

Aatomiökonoomia arvutatakse järgmiselt:

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

kus A on aatomiökonoomia protsendina, $M_p$ soovitud saaduse molekulmass ning $M_r$ kõigi reagentide kogumolekulmass.

Valemis kasutatakse tasakaalustatud võrrandi kordajaid. Iga reagendi molekulmass korrutatakse enne masside liitmist selle kordajaga ning saaduse molekulmass korrutatakse selle enda kordajaga.

Keemik Barry M. Trost tutvustas aatomiökonoomia mõistet 1991. See oli viis hinnata reaktsiooni kavandi tõhusust eraldi sellest, kui hästi reaktsioon praktikas toimib.

Kuidas arvutada aatomiökonoomiat

1. Kirjutage reaktsiooni tasakaalustatud keemiline võrrand.
2. Leidke soovitud saaduse molekulmass, kasutades võrrandis olevat kordajat.
3. Liitke kõigi reagentide molekulmassid, korrutades igaühe tema kordajaga.
4. Jagage saaduse mass lähteainete masside summaga ja korrutage tulemus arvuga 100.

Kordajad kirjutatakse valemi ette nii, nagu need võrrandis esinevad: 2H2O tähendab kahte vee valemiühikut. Kordajata sisestatud valem kirjeldab teistsugust, tasakaalustamata võrrandit ja annab teistsuguse vastuse.

Katalüsaatorid ja lahustid jäetakse sellest arvutusest välja. Katalüsaator soodustab reaktsiooni toimumist, kuid seda ei kulutata reaktsiooni käigus, mistõttu ei arvestata seda lähteainena. Ka lahustid ei saa tavaliselt saaduse osaks.

vesiniku ja hapniku reaktsioon

Vaatleme vee valmistamise tasakaalustatud võrrandit:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Kasutades aatommassidena H = 1,008 ja O = 15,999, kus kõik massid on grammides mooli kohta (g/mol):

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

Aatomiökonoomia $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Kõik lähteainetes olevad aatomid jõuavad saadusse, seega on aatomiökonoomia 100%. Seda on oodata õigesti tasakaalustatud võrrandi korral, milles on ainult üks saadus: massi ei saa tekitada, mistõttu ei saa saaduse mass kunagi ületada selle moodustanud reagentide kogumassi. Kui arvutuse tulemuseks saadakse üle 100%, ei ole sisestatud võrrand õigesti tasakaalustatud.

Sama reaktsiooni kirjutamine tasakaalustamata kujul, H₂ + O₂ → H₂O, ei kirjelda tegelikku reaktsiooni ja annab teistsuguse, sisutu arvu: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96%. Seetõttu tuleb võrrand esmalt tasakaalustada.

aspiriini süntees

Aspiriini valmistatakse salitsüülhappest ja äädikhappe anhüdriidist:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• salitsüülhape (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• äädikhappe anhüdriid (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• reagentide kogumass: 240,21 g/mol
• aspiriin (C₉H₈O₄, soovitud saadus): 180,16 g/mol

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

Ülejäänud 25% massist lahkub reaktsioonist kõrvalsaadusena äädikhappena. Tööstuslikus tootmises kogutakse see äädikhape tavaliselt kokku ja kasutatakse uuesti, mis aitab kadu vähendada.

Tulemuse tõlgendamine

• 90–100%: enamik lähteainete aatomitest jõuab saadusse. See on tüüpiline liitumisreaktsioonidele, kus midagi üle ei jää.
• 70–90%: hea tõhusus, mis on levinud paljudes katalüütilistes reaktsioonides.
• 50–70%: keskmine. Asendusreaktsioonid, mille käigus eraldub jäätmena lahkuv rühm, jäävad sageli sellesse vahemikku.
• Alla 50%: suurem osa lähteainete massist läheb saaduse asemel jäätmeteks.

Need vahemikud on ainult ligikaudne juhis. Keerukat farmaatsiatööstuse vaheühendit, mille valmistamiseks pole puhtamat meetodit, võidakse pidada vastuvõetavaks väärtuse 65% korral, samas kui lihtsa põhikemikaali puhul, millel on odavamad alternatiivid, ei peetaks seda vastuvõetavaks.

Mida aatomiökonoomia ei mõõda

Aatomiökonoomia arvestab ainult tasakaalustatud võrrandis esitatud lähteaineid ja saadust. See jätab välja lahustid, katalüsaatorid ja reaktsiooni käitamiseks vajaliku energia. Reaktsioonil võib olla suur aatomiökonoomia, kuid see võib siiski kasutada suurt kogust lahustit või nõuda väga kõrget temperatuuri või rõhku. Täielikuma pildi saamiseks kombineerivad keemikud aatomiökonoomiat teiste näitajatega, näiteks E-teguriga (jäätmete mass jagatud saaduse massiga) ja protsessi massiintensiivsusega (kasutatud kogumass jagatud saaduse massiga).

Aatomiökonoomia ajalugu

Barry M. Trost, kes töötas sel ajal keemikuna Wisconsini ülikoolis ja hiljem Stanfordi ülikoolis, tutvustas aatomiökonoomia mõistet 1991. aastal ajakirjas Science avaldatud artiklis „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency”. Enne seda hindasid keemikud reaktsiooni peamiselt saagise järgi: kui lähedale saadud saaduse kogus teoreetilisele maksimumile jõudis. Trosti idee lisas teise küsimuse. Isegi suure saagise korral: kui suur osa lähteainete massist muutub saaduse asemel kõrvalsaadusteks?

Aastal 1998 sai aatomiökonoomiast rohelise keemia kaheteistkümne põhimõtte teine põhimõte, mille sõnastasid Paul Anastas ja John Warner oma raamatus Green Chemistry: Theory and Practice. Sellest ajast alates on sellest saanud keemiakursustel õpetatav standardne näitaja, mida esitatakse paljudes uusi sünteesimeetodeid käsitlevates teadusartiklites.

Korduma kippuvad küsimused

Mis on aatomiökonoomia?

Aatomiökonoomia on keemilises reaktsioonis lähteainete massi see protsent, mis jõuab soovitud saadusse. See leitakse, jagades saaduse molekulmassi lähteainete molekulmasside summaga ja korrutades tulemuse arvuga 100.

Mille poolest erineb aatomiökonoomia saagisest?

Saagis näitab, kui palju saadust reaktsioon tegelikult toodab võrreldes teoreetilise maksimumiga, arvestades kasutatud lähteaine kogust. Aatomiökonoomia mõõdab midagi muud: milline osa lähteainete massist võib reaktsiooni keemia põhjal üldse saaduseks saada. Reaktsioonil võib olla samal ajal suur saagis ja väike aatomiökonoomia, kui see tekitab koos saadusega palju kõrvalsaaduste massi.

Kas aatomiökonoomia võib olla 100%?

Jah. Liitumisreaktsioonid, milles lähteainete molekulid ühinevad ilma kõrvalsaadust eraldamata, saavutavad aatomiökonoomia 100%. Ümberkorrastumisreaktsioonid, milles aatomid molekuli sees ümber paigutuvad, võivad samuti saavutada väärtuse 100%. Reaktsioon, mille aatomiökonoomia on 100%, võib siiski olla üldiselt halb valik, kui selle saagis on väike või lähteained ohtlikud.

Kas aatomiökonoomia hõlmab lahusteid ja katalüsaatoreid?

Ei. Katalüsaatoreid reaktsiooni käigus ei tarbita, mistõttu neid ei arvestata lähteainetena. Tavaliselt ei arvestata ka lahusteid, välja arvatud juhul, kui osa lahustist liitub saadusega. Seetõttu võib reaktsioonil olla suur aatomiökonoomia, kuigi see kasutab suuri lahustikoguseid.

Milline on hea aatomiökonoomia?

Üle 90% peetakse suurepäraseks, 70–90% on hea ning alla 50% viitab sellele, et suurem osa lähteainete massist kulub asjatult. Vastuvõetav väärtus sõltub reaktsioonist: keerukas saadus, mille valmistamiseks pole paremat meetodit, võib õigustada väiksemat aatomiökonoomiat kui lihtne suure tootmismahuga kemikaal.

Kuidas kasutatakse arvutuses tasakaalustatud võrrandi kordajaid?

Kõigi lähteainete ja saaduse korral tuleb kasutada nende tasakaalustatud võrrandis olevaid kordajaid. Võrrandi 2H₂ + O₂ → 2H₂O korral kasutatakse reagentide massi arvutamisel 2 × (H₂ mass) pluss 1 × (O₂ mass), saaduse massi puhul aga 2 × (H₂O mass). Kordajate vahelejätmine või tasakaalustamata võrrandi kasutamine annab arvu, mis ei kirjelda tegelikku reaktsiooni.

Viited

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.