Kalkulator ekonomije atoma - Učinkovitost kemijske reakcije

Što je kalkulator atomske ekonomičnosti?

Kalkulator atomske ekonomičnosti izračunava koliki dio mase početnih tvari kemijske reakcije završi u željenom produktu, a ne u otpadnim nusproduktima. To čini usporedbom molekulske mase produkta s ukupnom molekulskom masom reaktanata, koristeći uravnoteženu kemijsku jednadžbu. Rezultat je postotak: atomska ekonomičnost.

Formula atomske ekonomičnosti

Atomska ekonomičnost izračunava se ovako:

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

gdje je A atomska ekonomičnost izražena u postocima, $M_p$ molekulska masa željenog produkta, a $M_r$ ukupna molekulska masa svih reaktanata.

Formula koristi koeficijente iz uravnotežene jednadžbe. Molekulska masa svakog reaktanta množi se njegovim koeficijentom prije zbrajanja masa, a molekulska masa produkta množi se njegovim koeficijentom.

Atomska ekonomičnost uveo je kemičar Barry M. Trost 1991., kao način procjene koliko je učinkovit nacrt reakcije, neovisno o tome koliko se dobro reakcija odvija u praksi.

Kako izračunati atomsku ekonomičnost

1. Zapišite uravnoteženu kemijsku jednadžbu reakcije.
2. Odredite molekulsku masu željenog produkta, koristeći njegov koeficijent iz jednadžbe.
3. Zbrojite molekulske mase svih reaktanata, pri čemu svaku pomnožite njezinim koeficijentom.
4. Podijelite masu produkta ukupnom masom reaktanata, a zatim pomnožite s 100.

Koeficijenti se pišu ispred formule, onako kako se pojavljuju u jednadžbi: 2H2O označava dvije formulske jedinice vode. Formula unesena bez koeficijenta opisuje drukčiju, neuravnoteženu jednadžbu i daje drukčiji rezultat.

Katalizatori i otapala izostavljaju se iz ovog izračuna. Katalizator pomaže odvijanju reakcije, ali se ne troši, pa se ne računa kao reaktant. Otapala obično također ne postaju dio produkta.

Primjer izračuna: vodik i kisik

Razmotrimo uravnoteženu jednadžbu nastajanja vode:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Uz relativne atomske mase H = 1,008 i O = 15,999, pri čemu su sve mase izražene u gramima po molu (g/mol):

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

Atomska ekonomičnost $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Svaki atom u reaktantima završi u produktu, pa atomska ekonomičnost iznosi 100 %. To se očekuje za pravilno uravnoteženu jednadžbu s jednim produktom: masa se ne može stvoriti, pa masa produkta nikad ne može premašiti ukupnu masu reaktanata od kojih je nastao. Ako se izračunom dobije vrijednost veća od 100 %, unesena jednadžba nije pravilno uravnotežena.

Zapisivanje iste reakcije bez uravnoteživanja, kao H₂ + O₂ → H₂O, ne opisuje stvarnu reakciju i daje drukčiji, besmislen broj: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96 %. Zato jednadžbu najprije treba uravnotežiti.

Primjer izračuna: sinteza aspirina

Aspirin nastaje iz salicilne kiseline i acetanhidrida:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• salicilna kiselina (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• acetanhidrid (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• ukupna masa reaktanata: 240,21 g/mol
• aspirin (C₉H₈O₄, željeni produkt): 180,16 g/mol

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

Preostalih 25 % mase napušta reakciju kao octena kiselina, nusprodukt. U industrijskoj proizvodnji ta se octena kiselina obično izdvoji i ponovno upotrebljava, čime se djelomično nadoknađuje gubitak.

Tumačenje rezultata

• 90–100%: većina atoma reaktanata završi u produktu. To je tipično za adicijske reakcije, u kojima ništa ne preostaje.
• 70–90%: dobra učinkovitost, uobičajena u mnogim katalitičkim reakcijama.
• 50–70%: srednja učinkovitost. Supstitucijske reakcije, u kojima se otpušta odlazeća skupina kao otpad, često su u tom rasponu.
• Ispod 50 %: većina mase reaktanata pretvara se u otpad, a ne u produkt.

Ovi rasponi samo su približan vodič. Složen farmaceutski međuprodukt za koji nije dostupna čišća metoda mogao bi se smatrati prihvatljivim pri 65 %, dok jednostavna kemikalija velike proizvodnje, za koju postoje jeftinije alternative, ne bi.

Što atomska ekonomičnost ne mjeri

Atomska ekonomičnost uzima u obzir samo reaktante i produkt navedene u uravnoteženoj jednadžbi. Ne uključuje otapala, katalizatore ni energiju potrebnu za odvijanje reakcije. Reakcija može imati visoku atomsku ekonomičnost, a ipak upotrebljavati veliku količinu otapala ili zahtijevati ekstremnu temperaturu ili tlak. Za potpuniju sliku kemičari atomsku ekonomičnost kombiniraju s drugim mjerama, kao što su E-faktor (masa otpada podijeljena masom produkta) i procesni intenzitet mase (ukupna upotrijebljena masa podijeljena masom produkta).

Povijest atomske ekonomičnosti

Barry M. Trost, tada kemičar na Sveučilištu Wisconsin, a poslije na Sveučilištu Stanford, uveo je pojam atomske ekonomičnosti u radu iz 1991. objavljenom u časopisu Science, pod naslovom „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency”. Prije toga kemičari su reakciju uglavnom procjenjivali prema prinosu: koliko se dobivena količina produkta približila teorijskom maksimumu. Trostova je zamisao postavila drukčije pitanje. Čak i pri visokom prinosu, koliki dio mase reaktanata završi kao nusprodukt, a ne kao produkt?

Godine 1998 atomska ekonomičnost postala je drugo od Dvanaest načela zelene kemije, koja su Paul Anastas i John Warner izložili u svojoj knjizi Green Chemistry: Theory and Practice. Od tada je postala standardna mjera koja se poučava na kolegijima kemije i navodi u mnogim znanstvenim radovima o novim sintetskim metodama.

Često postavljana pitanja

Što je atomska ekonomičnost?

Atomska ekonomičnost postotak je mase reaktanata u kemijskoj reakciji koji završi u željenom produktu. Dobiva se dijeljenjem molekulske mase produkta ukupnom molekulskom masom reaktanata, a zatim množenjem s 100.

Po čemu se atomska ekonomičnost razlikuje od prinosa?

Prinos mjeri koliko produkta reakcija stvarno proizvede u usporedbi s teorijskim maksimumom, s obzirom na upotrijebljenu količinu početne tvari. Atomska ekonomičnost mjeri nešto drugo: koliki dio mase reaktanata uopće može završiti u produktu, na temelju same kemije reakcije. Reakcija istodobno može imati visok prinos i nisku atomsku ekonomičnost ako uz produkt proizvodi veliku količinu nusprodukata.

Može li atomska ekonomičnost biti 100 %?

Da. Adicijske reakcije, u kojima se molekule reaktanata spajaju bez otpuštanja nusprodukta, postižu atomsku ekonomičnost od 100 %. I reakcije pregradnje, koje preuređuju atome unutar molekule, mogu postići 100 %. Reakcija s atomskom ekonomičnošću od 100 % ipak može biti loš ukupni izbor ako je njezin prinos nizak ili su reaktanti opasni.

Uključuje li atomska ekonomičnost otapala i katalizatore?

Ne. Katalizatori se tijekom reakcije ne troše, pa se ne računaju kao reaktanti. Otapala se također obično ne računaju, osim ako se njihov dio ugradi u produkt. To znači da reakcija može pokazivati visoku atomsku ekonomičnost, a ipak upotrebljavati velike količine otapala.

Koja je atomska ekonomičnost dobra?

Vrijednost iznad 90 % smatra se izvrsnom, 70–90% dobrom, a vrijednost ispod 50 % upućuje na to da se većina mase reaktanata gubi. Što se smatra prihvatljivim ovisi o reakciji: složen produkt za koji ne postoji bolji postupak može opravdati nižu atomsku ekonomičnost nego jednostavna kemikalija koja se proizvodi u velikim količinama.

Kako se koeficijenti u uravnoteženoj jednadžbi upotrebljavaju u izračunu?

Svaki reaktant i produkt moraju upotrebljavati svoje koeficijente iz uravnotežene jednadžbe. Za 2H₂ + O₂ → 2H₂O, masa reaktanata računa se kao 2 × (masa H₂) plus 1 × (masa O₂), a masa produkta kao 2 × (masa H₂O). Izostavljanje koeficijenata ili upotreba neuravnotežene jednadžbe daje broj koji ne opisuje stvarnu reakciju.

Reference

1. Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471–1477.
2. Anastas, P. T. i 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.