Számítsd ki az atomgazdaságot, hogy mérd, mennyire hatékonyan válik a reaktánsokból származó atomok a kívánt termék részévé a kémiai reakciók során. Lényeges a zöld kémiához, a fenntartható szintézishez és a reakcióoptimalizáláshoz.
Kiegyensúlyozott reakciók esetén a képletekben megadhatja a koefficienseket:
Írjon be érvényes kémiai formulákat a vizualizáció megtekintéséhez
Atom gazdaság egy alapvető fogalom a zöld kémiában, amely méri, hogy a reaktánsokból származó atomok mennyire hatékonyan épülnek be a kívánt termékbe egy kémiai reakció során. Barry Trost professzor fejlesztette ki 1991-ben, az atom gazdaság a kiindulási anyagok atomjainak hányadát jelenti, amelyek a hasznos termék részévé válnak, így ez egy kulcsfontosságú mutató a kémiai folyamatok fenntarthatóságának és hatékonyságának értékelésében. A hagyományos hozam számításokkal ellentétben, amelyek csak a kapott termék mennyiségét veszik figyelembe, az atom gazdaság az atom szintű hatékonyságra összpontosít, kiemelve azokat a reakciókat, amelyek kevesebb atomot pazarolnak el és kevesebb mellékterméket generálnak.
Az Atom Gazdaság Kalkulátor lehetővé teszi a kémikusok, diákok és kutatók számára, hogy gyorsan meghatározzák bármely kémiai reakció atom gazdaságát, egyszerűen beírva a reaktánsok és a kívánt termék kémiai képleteit. Ez az eszköz segít az zöldebb szintetikus útvonalak azonosításában, a reakciók hatékonyságának optimalizálásában és a hulladéktermelés csökkentésében a kémiai folyamatok során – a fenntartható kémiai gyakorlatok kulcsfontosságú elvei.
Az atom gazdaság a következő képlettel számítható ki:
Ez a százalékos arány azt jelzi, hogy a kiindulási anyagokból hány atom végzi a céltermékben, ahelyett, hogy melléktermékekként elpazarolnák őket. A magasabb atom gazdaság hatékonyabb és környezetbarátabb reakciót jelez.
Az atom gazdaság számos előnnyel jár a hagyományos hozammérésekkel szemben:
Az atom gazdaság kiszámításához szükséges:
Egy reakció esetén: A + B → C + D (ahol C a kívánt termék)
Írd Be a Termék Képletét:
Add Meg a Reaktánsok Képleteit:
Kiegyensúlyozott Egyenletek Kezelése:
Eredmények Számítása:
A kalkulátor három kulcsfontosságú információt ad:
Atom Gazdaság (%): A reaktánsok atomjainak hány százaléka végzi a kívánt termékben
Termék Molekuláris Súlya: A kívánt termék kiszámított molekuláris súlya
Összes Reaktáns Molekuláris Súlya: Az összes reaktáns molekuláris súlyának összege
A kalkulátor vizuális ábrázolást is nyújt az atom gazdaságról, megkönnyítve a reakció hatékonyságának áttekintését.
Az atom gazdaságot széles körben használják a vegyiparban és a gyógyszeriparban, hogy:
Folyamatfejlesztés: Értékeljék és összehasonlítsák a különböző szintetikus útvonalakat, hogy kiválasszák a legatom-hatékonyabb utat
Zöld Gyártás: Fenntarthatóbb termelési folyamatokat tervezzenek, amelyek minimalizálják a hulladéktermelést
Költségcsökkentés: Azonosítsák azokat a reakciókat, amelyek hatékonyabban használják fel a drága kiindulási anyagokat
Szabályozási Megfelelés: Megfeleljenek az egyre szigorúbb környezetvédelmi előírásoknak a hulladék csökkentésével
Zöld Kémia Tanítása: Fenntartható kémiai elvek bemutatása a diákoknak
Kutatási Tervezés: Segítsenek a kutatóknak hatékonyabb szintetikus útvonalak tervezésében
Kiadói Követelmények: Sok folyóirat most már megköveteli az atom gazdaság számításait az új szintetikus módszerekhez
Diákgyakorlatok: Képzési lehetőség a kémia diákok számára a reakciók hatékonyságának értékelésére a hagyományos hozamon túl
Aspirin Szintézis:
Heck Reakció (palládium-katalizált összekapcsolás):
Click Kémia (réz-katalizált azid-alkin cikloadició):
Bár az atom gazdaság értékes mutató, más kiegészítő mérések is léteznek, mint például:
E-Faktor (Környezetvédelmi Faktor):
Reakciós Tömeg Hatékonyság (RME):
Folyamat Tömeg Intenzitás (PMI):
Szén Hatékonyság:
Az atom gazdaság fogalmát Barry M. Trost, a Stanford Egyetem professzora vezette be 1991-ben a "The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency" című alapvető cikkében, amely a Science folyóiratban jelent meg. Trost az atom gazdaságot a kémiai reakciók atom szintű hatékonyságának értékelésére szolgáló alapvető mutatóként javasolta, a hagyományos hozammérésekből való elmozdulást jelölve.
Az atom gazdaság alapvetően megváltoztatta, ahogyan a kémikusok a reakciótervezéshez közelítenek, a hozam maximalizálásáról a hulladék minimalizálására helyezve a hangsúlyt molekuláris szinten. Ez a paradigmaváltás számos "atom-gazdaságos" reakció kifejlesztéséhez vezetett, beleértve:
1' Excel képlet az atom gazdaság kiszámításához
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' Példa konkrét értékekkel
5' 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' Eredmény: 52.96%
91def calculate_atom_economy(product_formula, reactant_formulas):
2 """
3 Kiszámítja az atom gazdaságot egy kémiai reakcióhoz.
4
5 Args:
6 product_formula (str): A kívánt termék kémiai képlete
7 reactant_formulas (list): A reaktánsok kémiai képleteinek listája
8
9 Returns:
10 dict: Szótár, amely tartalmazza az atom gazdaság százalékát, a termék súlyát és a reaktánsok súlyát
11 """
12 # Atom súlyok szótára
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 # További elemek hozzáadása szükség szerint
17 }
18
19 def parse_formula(formula):
20 """Kémiai képlet elemzése és molekuláris súly számítása."""
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"Ismeretlen elem: {element}")
32
33 return weight
34
35 # Molekuláris súlyok számítása
36 product_weight = parse_formula(product_formula)
37
38 reactants_weight = 0
39 for reactant in reactant_formulas:
40 if reactant: # Üres reaktánsok kihagyása
41 reactants_weight += parse_formula(reactant)
42
43 # Atom gazdaság számítása
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# Példa használat
53product = "H2O"
54reactants = ["H2", "O2"]
55result = calculate_atom_economy(product, reactants)
56print(f"Atom Gazdaság: {result['atom_economy']}%")
57print(f"Termék Súlya: {result['product_weight']}")
58print(f"Reaktánsok Súlya: {result['reactants_weight']}")
591function calculateAtomEconomy(productFormula, reactantFormulas) {
2 // Atom súlyok a közönséges elemekhez
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 // További elemek hozzáadása szükség szerint
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(`Ismeretlen elem: ${element}`);
24 }
25 }
26
27 return weight;
28 }
29
30 // Molekuláris súlyok számítása
31 const productWeight = parseFormula(productFormula);
32
33 let reactantsWeight = 0;
34 for (const reactant of reactantFormulas) {
35 if (reactant.trim()) { // Üres reaktánsok kihagyása
36 reactantsWeight += parseFormula(reactant);
37 }
38 }
39
40 // Atom gazdaság számítása
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// Példa használat
51const product = "C9H8O4"; // Aspirin
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // Szalicilsav és ecetsav-anhidrid
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`Atom Gazdaság: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`Termék Súlya: ${result.productWeight}`);
56console.log(`Reaktánsok Súlya: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # Atom súlyok a közönséges elemekhez
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # Kémiai képlet elemzése regex segítségével
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # Elem szimbólum és szám kiemelése
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count
26 } else {
27 stop(paste("Ismeretlen elem:", element))
28 }
29 }
30
31 return(weight)
32 }
33
34 # Molekuláris súlyok számítása
35 product_weight <- parse_formula(product_formula)
36
37 reactants_weight <- 0
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # Üres reaktánsok kihagyása
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant)
41 }
42 }
43
44 # Atom gazdaság számítása
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ))
52}
53
54# Példa használat
55product <- "CH3CH2OH" # Etanol
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # Etilén és víz
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants)
58cat(sprintf("Atom Gazdaság: %.2f%%\n", result$atom_economy))
59cat(sprintf("Termék Súlya: %.4f\n", result$product_weight))
60cat(sprintf("Reaktánsok Súlya: %.4f\n", result$reactants_weight))
61Az atom gazdaság egy mutató, amely méri, hogy a reaktánsokból származó atomok mennyire hatékonyan épülnek be a kívánt termékbe egy kémiai reakció során. A molekuláris súlyának a kívánt termék és az összes reaktáns molekuláris súlyának hányadosaként számítják, majd 100-zal szorozzák, hogy százalékot kapjanak. A magasabb százalékos arány hatékonyabb reakciókat jelez, kevesebb hulladékkal.
A reakciós hozam azt méri, hogy mennyi terméket kaptunk a maximálisan elérhető mennyiséghez képest, amely a korlátozó reagensen alapul. Az atom gazdaság azonban a reakció tervezésének elméleti hatékonyságát méri atom szinten, függetlenül attól, hogy a reakció a gyakorlatban mennyire teljesít jól. Egy reakciónak lehet magas hozama, de rossz atom gazdasága, ha jelentős melléktermékeket generál.
Az atom gazdaság egy alapvető elve a zöld kémiának, mert segít a kémikusoknak olyan reakciókat tervezni, amelyek eleve kevesebb hulladékot termelnek azáltal, hogy több atomot építenek be a reaktánsokból a kívánt termékbe. Ez fenntarthatóbb folyamatokhoz, csökkentett környezeti hatásokhoz és gyakran alacsonyabb termelési költségekhez vezet.
Igen, egy reakciónak lehet 100% atom gazdasága, ha a reaktánsokból származó összes atom a kívánt termékbe kerül. Példák közé tartoznak az adiciós reakciók (például hidrogénezés), cikloadiciók (például Diels-Alder reakciók) és átrendeződési reakciók, ahol nincs atomveszteség melléktermékként.
Általában az atom gazdaság számítások nem tartalmazzák az oldószereket vagy a katalizátorokat, hacsak nem épülnek be a végtermékbe. Ez azért van, mert a katalizátorok regenerálódnak a reakciós ciklus során, és az oldószereket általában visszanyerik vagy elválasztják a terméktől. Azonban a zöld kémia átfogóbb mutatói, mint az E-faktor, figyelembe veszik ezeket a további anyagokat.
Az atom gazdaság javításához:
Bár a magasabb atom gazdaság általában kívánatos, nem ez az egyetlen szempont a reakció értékelésekor. Más tényezők, mint például a biztonság, az energiaigények, a reakciós hozam és a reagensek és melléktermékek toxicitása is fontosak. Néha egy alacsonyabb atom gazdaságú reakció előnyösebb lehet, ha más jelentős előnyökkel bír.
Több kívánt terméket előállító reakciók esetén:
A megközelítés a konkrét elemzési céljaidtól függ.
Igen, az atom gazdaság számításoknak helyesen kiegyensúlyozott kémiai egyenleteket kell használniuk, amelyek tükrözik a reakció helyes sztöchiometriáját. A kiegyensúlyozott egyenletben szereplő együtthatók befolyásolják a reaktánsok relatív mennyiségeit, így az összes reaktáns molekuláris súlyát, amelyet a számítás során használnak.
Az atom gazdaság számítások nagyon pontosak lehetnek, ha pontos atom súlyokat és helyesen kiegyensúlyozott egyenleteket használnak. Azonban ezek egy elméleti maximális hatékonyságot képviselnek, és nem veszik figyelembe a gyakorlati problémákat, mint például a hiányos reakciók, mellékreakciók vagy tisztítási veszteségek, amelyek befolyásolják a valós folyamatokat.
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
Az Atom Gazdaság Kalkulátor egy erőteljes eszközt biztosít a kémiai reakciók hatékonyságának és fenntarthatóságának értékelésére atom szinten. Azáltal, hogy arra összpontosít, hogy a reaktánsokból származó atomok mennyire hatékonyan épülnek be a kívánt termékbe, a kémikusok zöldebb folyamatokat tervezhetnek, amelyek minimalizálják a hulladéktermelést.
Legyen szó akár diákokról, akik a zöld kémia elveit tanulmányozzák, akár kutatókról, akik új szintetikus módszereket fejlesztenek, vagy ipari kémikusokról, akik optimalizálják a termelési folyamatokat, az atom gazdaság megértése és alkalmazása fenntarthatóbb kémiai gyakorlatokhoz vezethet. A kalkulátor hozzáférhetővé és egyszerűvé teszi ezt az elemzést, segítve a zöld kémia céljainak előmozdítását különböző területeken.
Az atom gazdaság szempontjainak integrálásával a reakciók tervezésébe és kiválasztásába olyan jövő felé haladhatunk, ahol a kémiai folyamatok nemcsak magas hozamúak és költséghatékonyak, hanem környezetbarátok és fenntarthatóak is.
Próbáld ki az Atom Gazdaság Kalkulátort még ma, hogy elemezhesd kémiai reakcióidat és felfedezhesd a zöldebb kémia lehetőségeit!
Fedezzen fel több olyan eszközt, amely hasznos lehet a munkafolyamatához