חשב את כלכלת האטומים כדי למדוד כמה ביעילות אטומים מהחומרים המגיבים הופכים לחלק מהמוצר הרצוי שלך בתגובות כימיות. חיוני לכימיה ירוקה, סינתזה ברת קיימא, ואופטימיזציה של תגובות.
לתגובות מאוזנות, תוכל לכלול מקדמים בנוסחאות שלך:
הזן נוסחאות כימיות תקינות כדי לראות את הוויזואליזציה
כלכלת אטומים היא מושג בסיסי בכימיה ירוקה המודד עד כמה אטומים מהחומרים המגיבים משתלבים במוצר הרצוי בתגובה כימית. המושג פותח על ידי פרופסור בארי טרוסט בשנת 1991, וכלכלת אטומים מייצגת את האחוז של האטומים מהחומרים ההתחלתיים שהופכים לחלק מהמוצר השימושי, מה שהופך אותה למדד קרדינלי להערכת הקיימות והיעילות של תהליכים כימיים. בניגוד לחישובי תשואה מסורתיים שמתחשבים רק בכמות המוצר שהתקבלה, כלכלת אטומים מתמקדת ביעילות ברמת האטום, ומדגישה תגובות שמבזבזות פחות אטומים ומייצרות פחות תוצרי לוואי.
מחשבון כלכלת אטומים מאפשר לכימאים, סטודנטים וחוקרים לקבוע במהירות את כלכלת האטומים של כל תגובה כימית על ידי הזנת הנוסחאות הכימיות של החומרים המגיבים והמוצר הרצוי. כלי זה מסייע לזהות מסלולי סינתזה ירוקים יותר, לייעל את יעילות התגובה ולהפחית את ייצור הפסולת בתהליכים כימיים—עקרונות מרכזיים בפרקטיקות כימיה בת קיימא.
כלכלת אטומים מחושבת באמצעות הנוסחה הבאה:
אחוז זה מייצג כמה אטומים מהחומרים ההתחלתיים שלך מגיעים למוצר היעד שלך ולא מבוזבזים כתוצרי לוואי. כלכלת אטומים גבוהה יותר מצביעה על תגובה יעילה יותר וידידותית יותר לסביבה.
כלכלת אטומים מציעה מספר יתרונות על פני מדידות תשואה מסורתיות:
כדי לחשב את כלכלת האטומים, עליך:
עבור תגובה: A + B → C + D (כאשר C הוא המוצר הרצוי)
הזן את נוסחת המוצר:
הוסף נוסחאות חומרים מגיבים:
טפל במשוואות מאוזנות:
חשב תוצאות:
המחשבון מספק שלושה נתונים מרכזיים:
כלכלת אטומים (%): האחוז של האטומים מהחומרים המגיבים שמגיעים למוצר הרצוי
משקל מולקולרי של המוצר: המשקל המולקולרי המחושב של המוצר הרצוי
משקל מולקולי כולל של החומרים המגיבים: הסכום של משקלי המולקולה של כל החומרים המגיבים
המחשבון מספק גם ייצוג חזותי של כלכלת האטומים, מה שמקל על הבנת היעילות של התגובה שלך במבט חטוף.
כלכלת אטומים משמשת באופן נרחב בתעשיות הכימיות והפרמצבטיות כדי:
פיתוח תהליכים: להעריך ולהשוות בין מסלולי סינתזה שונים כדי לבחור את הדרך היעילה ביותר מבחינת אטומים
ייצור ירוק: לעצב תהליכי ייצור יותר בני קיימא שמפחיתים את ייצור הפסולת
הפחתת עלויות: לזהות תגובות שעושות שימוש יותר יעיל בחומרים התחלתיים יקרים
עמידה בדרישות רגולטוריות: לעמוד בדרישות סביבתיות הולכות ומתרקמות על ידי הפחתת פסולת
הוראת כימיה ירוקה: להדגים עקרונות כימיה בת קיימא לסטודנטים
תכנון מחקר: לסייע לחוקרים לעצב מסלולי סינתזה יותר יעילים
דרישות פרסום: מגזינים רבים דורשים כיום חישובי כלכלת אטומים עבור שיטות סינתזה חדשות
תרגילים לסטודנטים: לאמן סטודנטים לכימיה להעריך את יעילות התגובה מעבר לתשואה המסורתית
סינתזת אספירין:
תגובה היקית (קישור מזורז על ידי פלטינה):
כימיה קליק (קישור בין אזיד לאלקין מזורז על ידי נחושת):
בעוד שכלכלת אטומים היא מדד יקר ערך, מדדים משלימים אחרים כוללים:
E-Factor (גורם סביבתי):
יעילות מסה של תגובה (RME):
עוצמת מסה של תהליך (PMI):
יעילות פחמן:
המושג של כלכלת אטומים הוצג על ידי פרופסור בארי מ. טרוסט מאוניברסיטת סטנפורד בשנת 1991 במאמרו המפורסם "כלכלת האטומים—חיפוש אחר יעילות סינתטית" שפורסם בכתב העת Science. טרוסט הציע את כלכלת האטומים כמטריקה בסיסית להערכת היעילות של תגובות כימיות ברמת האטום, והעביר את המוקד מחישובי תשואה מסורתיים.
כלכלת אטומים שינתה באופן יסודי את האופן שבו כימאים ניגשים לתכנון תגובות, והעבירה את המוקד ממקסום תשואה למזעור פסולת ברמת האטום. שינוי פרדיגמה זה הוביל לפיתוח של תגובות רבות "חסכוניות באטומים", כולל:
1' נוסחת Excel לחישוב כלכלת אטומים
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' דוגמה עם ערכים ספציפיים
5' עבור 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' תוצאה: 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"; // אספירין
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // חומצה סליצילית ואנאידריד חומצי
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`Atom Economy: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`Product Weight: ${result.productWeight}`);
56console.log(`Reactants Weight: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # Atomic weights of common elements
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # Parse chemical formula using regex
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # Extract element symbol and count
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count
26 } else {
27 stop(paste("Unknown element:", element))
28 }
29 }
30
31 return(weight)
32 }
33
34 # Calculate molecular weights
35 product_weight <- parse_formula(product_formula)
36
37 reactants_weight <- 0
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # Skip empty reactants
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant)
41 }
42 }
43
44 # Calculate atom economy
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ))
52}
53
54# Example usage
55product <- "CH3CH2OH" # אתנול
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # אתילן ומים
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants)
58cat(sprintf("Atom Economy: %.2f%%\n", result$atom_economy))
59cat(sprintf("Product Weight: %.4f\n", result$product_weight))
60cat(sprintf("Reactants Weight: %.4f\n", result$reactants_weight))
61כלכלת אטומים היא מדד עד כמה אטומים מהחומרים המגיבים משתלבים במוצר הרצוי בתגובה כימית. היא מחושבת על ידי חלוקת המשקל המולקולרי של המוצר הרצוי במשקל המולקולי הכולל של כל החומרים המגיבים והכפלה ב-100 כדי לקבל אחוז. אחוזים גבוהים מצביעים על תגובות יותר יעילות עם פחות פסולת.
תשואה של תגובה מודדת כמה מוצר מתקבל בפועל בהשוואה למקסימום התיאורטי בהתבסס על הריאגנט המגביל. כלכלת אטומים, לעומת זאת, מודדת את היעילות התיאורטית של תכנון תגובה ברמת האטום, ללא קשר לאופן שבו התגובה מתבצעת בפועל. תגובה יכולה להיות בעלת תשואה גבוהה אך כלכלת אטומים נמוכה אם היא מייצרת תוצרי לוואי משמעותיים.
כלכלת אטומים היא עיקרון בסיסי בכימיה ירוקה מכיוון שהיא מסייעת לכימאים לעצב תגובות שמייצרות באופן טבעי פחות פסולת על ידי שילוב יותר אטומים מהחומרים המגיבים במוצר הרצוי. זה מוביל לתהליכים יותר בני קיימא, הפחתת השפעה סביבתית ולעיתים גם עלויות ייצור נמוכות יותר.
כן, תגובה יכולה להיות בעלת כלכלת אטומים של 100% אם כל האטומים מהחומרים המגיבים מגיעים למוצר הרצוי. דוגמאות כוללות תגובות הוספה (כמו הידרוגנציה), תגובות ציקלואדיציה (כמו תגובות דילס-אלדר) ותגובות שינוי שבהן לא מבוזבזים אטומים כתוצרי לוואי.
בדרך כלל, חישובי כלכלת אטומים לא כוללים מסיסים או קטליזטורים אלא אם הם משתלבים במוצר הסופי. זאת מכיוון שקטליזטורים מתחדשים במחזור התגובה, ומסיסים בדרך כלל משוחזרים או מופרדים מהמוצר. עם זאת, מדדים יותר מקיפים בכימיה ירוקה כמו גורם E מתחשבים בחומרים נוספים אלו.
כדי לשפר את כלכלת האטומים:
בעוד שכלכלת אטומים גבוהה היא בדרך כלל רצויה, היא לא צריכה להיות השיקול היחיד בעת הערכת תגובה. גורמים אחרים כמו בטיחות, דרישות אנרגיה, תשואה של תגובה ורעילות של ריאגנטים ותוצרי לוואי גם הם חשובים. לפעמים תגובה עם כלכלת אטומים נמוכה עשויה להיות מועדפת אם יש לה יתרונות משמעותיים אחרים.
עבור תגובות עם מספר מוצרים רצויים, תוכל או:
הגישה תלויה במטרות הניתוח הספציפיות שלך.
כן, חישובי כלכלת האטומים חייבים להשתמש במשוואות כימיות מאוזנות כראוי שמשקפות את הסטויכיומטריה הנכונה של התגובה. המקדמים במשוואה המאוזנת משפיעים על הכמויות היחסיות של החומרים המגיבים ולכן על המשקל המולקולי הכולל של החומרים המגיבים בשימוש בחישוב.
חישובי כלכלת אטומים יכולים להיות מדויקים מאוד כאשר משתמשים במשקלים מולקולריים מדויקים ובמשוואות מאוזנות כראוי. עם זאת, הם מייצגים יעילות תיאורטית מקסימלית ואינם מתחשבים בבעיות מעשיות כמו תגובות לא שלמות, תגובות צדדיות או אובדן במהלך טיהור שמשפיעים על תהליכים בעולם האמיתי.
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
מחשבון כלכלת האטומים מספק כלי רב עוצמה להערכת היעילות והקיימות של תגובות כימיות ברמת האטום. על ידי התמקדות בכמה אטומים מהחומרים המגיבים משתלבים במוצרים הרצויים, כימאים יכולים לעצב תהליכים ירוקים שמפחיתים את ייצור הפסולת.
אם אתה סטודנט הלומד על עקרונות כימיה ירוקה, חוקר המפתח שיטות סינתזה חדשות או כימאי תעשייתי המייעל תהליכי ייצור, הבנת ויישום כלכלת האטומים יכולה להוביל לפרקטיקות כימיות יותר בת קיימא. המחשבון מקל על ניתוח זה וזמין, מה שמסייע לקדם את המטרות של כימיה ירוקה בתחומים שונים.
על ידי שילוב שיקולי כלכלת אטומים בתכנון ובחירת תגובות, אנו יכולים לעבוד לקראת עתיד שבו תהליכים כימיים לא רק שהם בעלי תשואה גבוהה ויעילים כלכלית אלא גם אחראיים סביבתית ובני קיימא.
נסה את מחשבון כלכלת האטומים היום כדי לנתח את התגובות הכימיות שלך ולגלות הזדמנויות לכימיה ירוקה!
גלה עוד כלים שעשויים להיות שימושיים עבור זרימת העבודה שלך