محاسبه اقتصاد اتمی برای اندازه‌گیری چگونگی کارآمدی اتم‌ها از واکنش‌دهنده‌ها که بخشی از محصول مورد نظر شما در واکنش‌های شیمیایی می‌شوند. ضروری برای شیمی سبز، سنتز پایدار و بهینه‌سازی واکنش.
برای واکنش‌های متعادل، می‌توانید ضرایب را در فرمول‌های خود وارد کنید:
برای مشاهده تجسم، فرمول‌های شیمیایی معتبر وارد کنید
اقتصاد اتم یک مفهوم بنیادی در شیمی سبز است که کارایی ادغام اتم‌ها از واکنش‌دهنده‌ها به محصول مورد نظر در یک واکنش شیمیایی را اندازه‌گیری می‌کند. این مفهوم توسط پروفسور بری تروست در سال 1991 توسعه یافت و درصد اتم‌های مواد اولیه را که بخشی از محصول مفید می‌شوند، نشان می‌دهد و به همین دلیل یک معیار حیاتی برای ارزیابی پایداری و کارایی فرآیندهای شیمیایی است. بر خلاف محاسبات سنتی بازده که فقط مقدار محصول به‌دست‌آمده را در نظر می‌گیرد، اقتصاد اتم بر کارایی در سطح اتمی تمرکز دارد و واکنش‌هایی را که اتم‌های کمتری را هدر می‌دهند و محصولات جانبی کمتری تولید می‌کنند، برجسته می‌کند.
محاسبه‌گر اقتصاد اتم به شیمیدان‌ها، دانشجویان و محققان این امکان را می‌دهد که به‌سرعت اقتصاد اتم هر واکنش شیمیایی را با وارد کردن فرمول‌های شیمیایی واکنش‌دهنده‌ها و محصول مورد نظر تعیین کنند. این ابزار به شناسایی مسیرهای سنتزی سبزتر، بهینه‌سازی کارایی واکنش و کاهش تولید زباله در فرآیندهای شیمیایی کمک می‌کند—اصول کلیدی در شیوه‌های شیمی پایدار.
اقتصاد اتم با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود:
این درصد نشان می‌دهد که چند اتم از مواد اولیه شما به محصول هدف شما می‌رسند و به هدر نمی‌روند. اقتصاد اتم بالاتر نشان‌دهنده یک واکنش کارآمدتر و دوستدار محیط زیست است.
اقتصاد اتم مزایای متعددی نسبت به اندازه‌گیری‌های سنتی بازده ارائه می‌دهد:
برای محاسبه اقتصاد اتم، شما نیاز دارید به:
برای یک واکنش: A + B → C + D (که در آن C محصول مورد نظر است)
فرمول محصول را وارد کنید:
فرمول‌های واکنش‌دهنده را اضافه کنید:
مدیریت معادلات متعادل:
محاسبه نتایج:
محاسبه‌گر سه اطلاعات کلیدی را ارائه می‌دهد:
اقتصاد اتم (%): درصد اتم‌ها از واکنش‌دهنده‌ها که در محصول مورد نظر قرار می‌گیرند
وزن مولکولی محصول: وزن مولکولی محاسبه شده محصول مورد نظر شما
وزن مولکولی کل واکنش‌دهنده‌ها: مجموع وزن‌های مولکولی همه واکنش‌دهنده‌ها
محاسبه‌گر همچنین یک نمایش بصری از اقتصاد اتم را ارائه می‌دهد که فهم کارایی واکنش شما را در یک نگاه آسان‌تر می‌کند.
اقتصاد اتم به‌طور گسترده‌ای در صنایع شیمیایی و دارویی برای:
توسعه فرآیند: ارزیابی و مقایسه مسیرهای سنتزی مختلف برای انتخاب مسیر با اقتصاد اتمی بیشتر
تولید سبز: طراحی فرآیندهای تولید پایدارتر که تولید زباله را به حداقل می‌رسانند
کاهش هزینه: شناسایی واکنش‌هایی که استفاده بهینه‌تری از مواد اولیه گران‌قیمت دارند
رعایت مقررات: رعایت مقررات زیست‌محیطی که به‌طور فزاینده‌ای سخت‌گیرانه می‌شوند
آموزش شیمی سبز: نشان دادن اصول شیمی پایدار به دانش‌آموزان
برنامه‌ریزی تحقیق: کمک به محققان در طراحی مسیرهای سنتزی کارآمدتر
الزامات انتشار: بسیاری از مجلات اکنون محاسبات اقتصاد اتم را برای روش‌های سنتزی جدید الزامی می‌کنند
تمرین‌های دانشجویی: آموزش دانشجویان شیمی برای ارزیابی کارایی واکنش فراتر از بازده سنتی
سنتز آسپرین:
واکنش هک (جفت‌سازی کاتالیز شده با پالادیوم):
شیمی کلیک (چرخه‌افزایی کاتالیز شده با مس):
در حالی که اقتصاد اتم یک معیار ارزشمند است، اندازه‌گیری‌های مکمل دیگری نیز وجود دارد:
E-Factor (عامل زیست‌محیطی):
کارایی جرم واکنش (RME):
شدت جرم فرآیند (PMI):
کارایی کربن:
مفهوم اقتصاد اتم توسط پروفسور بری م. تروست از دانشگاه استنفورد در سال 1991 در مقاله‌ای با عنوان "اقتصاد اتم—جستجویی برای کارایی سنتزی" که در مجله Science منتشر شد، معرفی شد. تروست اقتصاد اتم را به‌عنوان یک معیار بنیادی برای ارزیابی کارایی واکنش‌های شیمیایی در سطح اتمی پیشنهاد کرد و تمرکز را از اندازه‌گیری‌های سنتی بازده به سمت این کارایی در سطح اتمی تغییر داد.
اقتصاد اتم به‌طور بنیادی نحوه نزدیک شدن شیمیدان‌ها به طراحی واکنش‌ها را تغییر داده است و تمرکز را از حداکثر کردن بازده به حداقل کردن زباله در سطح مولکولی منتقل کرده است. این تغییر پارادایمی منجر به توسعه واکنش‌های "اقتصاد اتمی" متعدد شده است، از جمله:
1' فرمول اکسل برای محاسبه اقتصاد اتم
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' مثال با مقادیر خاص
5' برای 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' نتیجه: 52.96%
91def calculate_atom_economy(product_formula, reactant_formulas):
2 """
3 محاسبه اقتصاد اتم برای یک واکنش شیمیایی.
4
5 آرگومان‌ها:
6 product_formula (str): فرمول شیمیایی محصول مورد نظر
7 reactant_formulas (list): لیستی از فرمول‌های شیمیایی واکنش‌دهنده‌ها
8
9 برمی‌گرداند:
10 dict: دیکشنری شامل درصد اقتصاد اتم، وزن محصول و وزن واکنش‌دهنده‌ها
11 """
12 # دیکشنری وزن‌های اتمی
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 # افزودن عناصر بیشتر در صورت نیاز
17 }
18
19 def parse_formula(formula):
20 """تحلیل فرمول شیمیایی و محاسبه وزن مولکولی."""
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"عنصر ناشناخته: {element}")
32
33 return weight
34
35 # محاسبه وزن‌های مولکولی
36 product_weight = parse_formula(product_formula)
37
38 reactants_weight = 0
39 for reactant in reactant_formulas:
40 if reactant: # رد کردن واکنش‌دهنده‌های خالی
41 reactants_weight += parse_formula(reactant)
42
43 # محاسبه اقتصاد اتم
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# مثال استفاده
53product = "H2O"
54reactants = ["H2", "O2"]
55result = calculate_atom_economy(product, reactants)
56print(f"اقتصاد اتم: {result['atom_economy']}%")
57print(f"وزن محصول: {result['product_weight']}")
58print(f"وزن واکنش‌دهنده‌ها: {result['reactants_weight']}")
591function calculateAtomEconomy(productFormula, reactantFormulas) {
2 // وزن‌های اتمی عناصر رایج
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 // افزودن عناصر بیشتر در صورت نیاز
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(`عنصر ناشناخته: ${element}`);
24 }
25 }
26
27 return weight;
28 }
29
30 // محاسبه وزن‌های مولکولی
31 const productWeight = parseFormula(productFormula);
32
33 let reactantsWeight = 0;
34 for (const reactant of reactantFormulas) {
35 if (reactant.trim()) { // رد کردن واکنش‌دهنده‌های خالی
36 reactantsWeight += parseFormula(reactant);
37 }
38 }
39
40 // محاسبه اقتصاد اتم
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// مثال استفاده
51const product = "C9H8O4"; // آسپرین
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // اسید سالیسیلیک و انیدرید استیک
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`اقتصاد اتم: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`وزن محصول: ${result.productWeight}`);
56console.log(`وزن واکنش‌دهنده‌ها: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # وزن‌های اتمی عناصر رایج
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # تحلیل فرمول شیمیایی با استفاده از regex
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # استخراج نماد عنصر و تعداد
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count
26 } else {
27 stop(paste("عنصر ناشناخته:", element))
28 }
29 }
30
31 return(weight)
32 }
33
34 # محاسبه وزن‌های مولکولی
35 product_weight <- parse_formula(product_formula)
36
37 reactants_weight <- 0
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # رد کردن واکنش‌دهنده‌های خالی
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant)
41 }
42 }
43
44 # محاسبه اقتصاد اتم
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ))
52}
53
54# مثال استفاده
55product <- "CH3CH2OH" # اتانول
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # اتیلن و آب
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants)
58cat(sprintf("اقتصاد اتم: %.2f%%\n", result$atom_economy))
59cat(sprintf("وزن محصول: %.4f\n", result$product_weight))
60cat(sprintf("وزن واکنش‌دهنده‌ها: %.4f\n", result$reactants_weight))
61اقتصاد اتم معیاری است برای اندازه‌گیری کارایی ادغام اتم‌ها از واکنش‌دهنده‌ها به محصول مورد نظر در یک واکنش شیمیایی. این معیار با تقسیم وزن مولکولی محصول مورد نظر بر وزن مولکولی کل واکنش‌دهنده‌ها و ضرب در 100 به درصد می‌رسد. درصدهای بالاتر نشان‌دهنده واکنش‌های کارآمدتر با زباله کمتر است.
بازده واکنش میزان محصولی را که واقعاً به‌دست‌آمده است نسبت به حداکثر نظری بر اساس واکنش‌دهنده محدودکننده اندازه‌گیری می‌کند. اما اقتصاد اتم کارایی نظری طراحی یک واکنش را در سطح اتمی اندازه‌گیری می‌کند، بدون توجه به اینکه واکنش در عمل چقدر خوب عمل می‌کند. یک واکنش می‌تواند بازده بالایی داشته باشد اما اقتصاد اتم ضعیفی داشته باشد اگر زباله‌های جانبی قابل توجهی تولید کند.
اقتصاد اتم یک اصل بنیادی در شیمی سبز است زیرا به شیمیدان‌ها کمک می‌کند تا واکنش‌هایی طراحی کنند که به‌طور ذاتی زباله کمتری تولید می‌کنند و اتم‌های بیشتری از واکنش‌دهنده‌ها را به محصول مورد نظر وارد می‌کنند. این منجر به فرآیندهای پایدارتر، کاهش تأثیرات زیست‌محیطی و اغلب هزینه‌های تولید کمتر می‌شود.
بله، یک واکنش می‌تواند اقتصاد اتم 100% داشته باشد اگر همه اتم‌ها از واکنش‌دهنده‌ها به محصول مورد نظر برسند. مثال‌هایی شامل واکنش‌های افزایشی (مانند هیدروژناسیون)، واکنش‌های چرخه‌افزایی (مانند واکنش‌های دیلز-آلدر) و واکنش‌های جابه‌جایی که در آن هیچ اتمی به‌عنوان زباله هدر نمی‌رود.
معمولاً محاسبات اقتصاد اتم شامل حلال‌ها یا کاتالیزورها نمی‌شود مگر اینکه به محصول نهایی وارد شوند. این به این دلیل است که کاتالیزورها در چرخه واکنش دوباره به حالت اولیه برمی‌گردند و حلال‌ها معمولاً از محصول بازیابی یا جدا می‌شوند. با این حال، معیارهای جامع‌تر شیمی سبز مانند E-factor این مواد اضافی را در نظر می‌گیرند.
برای بهبود اقتصاد اتم:
در حالی که اقتصاد اتم بالاتر معمولاً مطلوب است، نباید تنها معیار در ارزیابی یک واکنش باشد. عوامل دیگر مانند ایمنی، نیازهای انرژی، بازده واکنش و سمّیت مواد و محصولات جانبی نیز مهم هستند. گاهی اوقات یک واکنش با اقتصاد اتم پایین‌تر ممکن است اگر مزایای قابل توجه دیگری داشته باشد، ترجیح داده شود.
برای واکنش‌هایی با محصولات چندگانه مورد نظر، می‌توانید یکی از موارد زیر را انجام دهید:
رویکرد بستگی به اهداف خاص تحلیل شما دارد.
بله، محاسبات اقتصاد اتم باید از معادلات شیمیایی به‌درستی متعادل استفاده کنند که نشان‌دهنده استوکیومتری صحیح واکنش باشد. ضرایب در معادله متعادل بر مقادیر نسبی واکنش‌دهنده‌ها تأثیر می‌گذارد و بنابراین وزن مولکولی کل واکنش‌دهنده‌ها را در محاسبات تحت تأثیر قرار می‌دهد.
محاسبات اقتصاد اتم می‌تواند بسیار دقیق باشد زمانی که از وزن‌های اتمی دقیق و معادلات به‌درستی متعادل استفاده شود. با این حال، آن‌ها کارایی نظری حداکثر را نشان می‌دهند و به مسائل عملی مانند واکنش‌های ناقص، واکنش‌های جانبی یا تلفات تصفیه که بر فرآیندهای واقعی تأثیر می‌گذارند، توجه نمی‌کنند.
Trost, B. M. (1991). اقتصاد اتم—جستجویی برای کارایی سنتزی. علم، 254(5037)، 1471-1477. https://doi.org/10.1126/science.1962206
Anastas, P. T. و Warner, J. C. (1998). شیمی سبز: نظریه و عمل. انتشارات آکسفورد.
Sheldon, R. A. (2017). عامل E 25 سال بعد: ظهور شیمی سبز و پایداری. شیمی سبز، 19(1)، 18-43. https://doi.org/10.1039/C6GC02157C
Dicks, A. P. و Hent, A. (2015). معیارهای شیمی سبز: راهنمای تعیین و ارزیابی سبز بودن فرآیند. انتشارات اسپرینگر.
انجمن شیمی آمریکا. (2023). شیمی سبز. از https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry.html
Constable, D. J.، Curzons, A. D. و Cunningham, V. L. (2002). معیارهایی برای "سبز" کردن شیمی—کدامیک بهترین است؟ شیمی سبز، 4(6)، 521-527. https://doi.org/10.1039/B206169B
Andraos, J. (2012). جبر سنتز آلی: معیارهای سبز، استراتژی طراحی، انتخاب مسیر و بهینه‌سازی. انتشارات CRC.
EPA. (2023). شیمی سبز. از https://www.epa.gov/greenchemistry
محاسبه‌گر اقتصاد اتم ابزاری قدرتمند برای ارزیابی کارایی و پایداری واکنش‌های شیمیایی در سطح اتمی ارائه می‌دهد. با تمرکز بر چگونگی کارآمدی اتم‌ها از واکنش‌دهنده‌ها که به محصولات مورد نظر وارد می‌شوند، شیمیدان‌ها می‌توانند فرآیندهای سبزتری طراحی کنند که تولید زباله را به حداقل می‌رسانند.
چه شما یک دانشجو باشید که در حال یادگیری اصول شیمی سبز هستید، یک محقق که در حال توسعه روش‌های سنتزی جدید هستید یا یک شیمیدان صنعتی که در حال بهینه‌سازی فرآیندهای تولید هستید، درک و به‌کارگیری اقتصاد اتم می‌تواند منجر به شیوه‌های شیمی پایدارتر شود. این محاسبه‌گر این تحلیل را در دسترس و ساده می‌کند و به پیشبرد اهداف شیمی سبز در زمینه‌های مختلف کمک می‌کند.
با گنجاندن ملاحظات اقتصاد اتم در طراحی و انتخاب واکنش، می‌توانیم به سوی آینده‌ای حرکت کنیم که فرآیندهای شیمیایی نه تنها با بازده بالا و هزینه‌های اقتصادی بلکه همچنین مسئولیت‌پذیر و پایدار از نظر زیست‌محیطی باشند.
امروز محاسبه‌گر اقتصاد اتم را امتحان کنید تا واکنش‌های شیمیایی خود را تحلیل کنید و فرصت‌های شیمی سبزتر را کشف کنید!
کشف ابزارهای بیشتری که ممکن است برای جریان کاری شما مفید باشند