Atom Gazdaságosság Kalkulátor - Kémiai Reakció Hatékonysága

Mi az atomhatékonyság-kalkulátor?

Az atomhatékonyság-kalkulátor kiszámítja, hogy egy kémiai reakció kiindulási anyagainak tömegéből mekkora hányad kerül a kívánt termékbe a hulladék melléktermékek helyett. Ezt a termék moláris tömegének a reagensek teljes moláris tömegével való összehasonlításával végzi, a kiegyenlített kémiai egyenlet alapján. Az eredmény százalékos érték: az atomhatékonyság.

Az atomhatékonyság képlete

Az atomhatékonyság kiszámítása:

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

ahol A a százalékban kifejezett atomgazdaságosság, $M_p$ a kívánt termék molekulatömege, $M_r$ pedig az összes reagens teljes molekulatömege.

A képlet a kiegyenlített reakcióegyenlet együtthatóit használja fel. Minden reagens moláris tömegét megszorozzuk a hozzá tartozó együtthatóval, mielőtt összeadnánk a tömegeket, a termék moláris tömegét pedig a saját együtthatójával szorozzuk meg.

Az atomhatékonyság fogalmát Barry M. Trost vegyész vezette be 1991-ben annak megítélésére, hogy mennyire hatékony egy reakció megtervezése, függetlenül attól, hogy a gyakorlatban milyen jól működik.

Az atomhatékonyság kiszámítása

1. Írja fel a reakció kiegyenlített kémiai egyenletét.
2. Határozza meg a kívánt termék moláris tömegét az egyenlet szerinti együttható felhasználásával.
3. Adja össze az összes reagens moláris tömegét, mindegyiket megszorozva a hozzá tartozó együtthatóval.
4. Ossza el a termék tömegét a reagensek teljes tömegével, majd szorozza meg 100-zal.

Az együtthatókat a képlet elé írják, az egyenletben látható módon: 2H2O két víz képletegységet jelent. Az együttható nélkül megadott képlet más, nem rendezett egyenletet ír le, és más eredményt ad.

A katalizátorok és az oldószerek nem szerepelnek ebben a számításban. A katalizátor elősegíti a reakció lejátszódását, de nem fogy el, ezért nem számít reagensnek. Az oldószerek általában szintén nem válnak a termék részévé.

Kidolgozott példa: hidrogén és oxigén

Tekintsük a víz előállításának kiegyenlített egyenletét:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

A H = 1,008 és O = 15,999 atomtömeggel, ahol minden tömeg gramm/molban (g/mol) értendő:

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• a reagensek teljes tömege = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

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

A reagensek minden atomja a termékbe kerül, ezért az atomhatékonyság 100%. Ez egyetlen terméket tartalmazó, megfelelően kiegyenlített egyenlet esetén várható: tömeg nem keletkezhet, ezért a termék tömege soha nem haladhatja meg az azt létrehozó reagensek együttes tömegét. Ha a számítás eredménye 100% feletti érték, a megadott egyenlet nincs helyesen kiegyenlítve.

Ennek a reakciónak a kiegyenlítés nélküli felírása, vagyis H₂ + O₂ → H₂O, nem valódi reakciót ír le, és más, értelmetlen számértéket ad: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96%. Ezért az egyenletet először ki kell egyenlíteni.

Kidolgozott példa: az aszpirin szintézise

Az aszpirint szalicilsavból és ecetsavanhidridből állítják elő:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• szalicilsav (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• ecetsavanhidrid (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• a reagensek teljes tömege: 240,21 g/mol
• aszpirin (C₉H₈O₄, a kívánt termék): 180,16 g/mol

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

A tömeg fennmaradó 25%-a ecetsavként, melléktermékként távozik a reakcióból. Ipari előállítás során ezt az ecetsavat általában visszanyerik és újra felhasználják, ami mérsékli a veszteséget.

Az eredmény értelmezése

• 90–100%: a reagensatomok többsége a termékbe kerül. Addíciós reakciókra jellemző, amelyekben nem marad vissza felesleg.
• 70–90%: jó hatékonyság, sok katalitikus reakcióban gyakori.
• 50–70%: közepes. A szubsztitúciós reakciók, amelyekben egy távozó csoport hulladékként felszabadul, gyakran ebbe a tartományba esnek.
• 50% alatt: a reagens tömegének nagy része termék helyett hulladékká válik.

Ezek a tartományok csak hozzávetőleges iránymutatást adnak. Egy összetett gyógyszeripari intermedier, amelyhez nem áll rendelkezésre tisztább út, 65% mellett is elfogadhatónak tekinthető, míg egy egyszerű, ömlesztve gyártott vegyület olcsóbb alternatívákkal nem lenne az.

Mit nem mér az atomhatékonyság?

Az atomhatékonyság csak a kiegyenlített egyenletben szereplő reagenseket és terméket veszi figyelembe. Az oldószereket, a katalizátorokat és a reakció lefolytatásához szükséges energiát nem számítja bele. Egy reakció atomhatékonysága lehet magas úgy is, hogy közben nagy mennyiségű oldószert használ, vagy szélsőséges hőmérsékletet vagy nyomást igényel. A teljesebb kép érdekében a vegyészek az atomhatékonyságot más mutatókkal is kombinálják, például az E-faktorral (a hulladék tömegének és a termék tömegének hányadosa) és a folyamat tömegintenzitásával (a felhasznált teljes tömeg és a termék tömegének hányadosa).

Az atomhatékonyság története

Barry M. Trost vegyész, aki akkoriban a Wisconsini Egyetemen, később pedig a Stanford Egyetemen dolgozott, egy 1991-ben megjelent, Science folyóiratbeli tanulmányban vezette be az atomhatékonyság fogalmát: „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency”. Ezt megelőzően a vegyészek főként a hozammal ítélték meg a reakciókat: azt vizsgálták, hogy a kapott termék mennyisége mennyire közelíti meg az elméleti maximumot. Trost elképzelése egy másik kérdést vetett fel. Még nagy hozam esetén is: a reagens tömegének mekkora része kerül melléktermékekbe a termék helyett?

1998-ban az atomhatékonyság a zöld kémia tizenkét alapelvének második alapelve lett. A tizenkét alapelvet Paul Anastas és John Warner fogalmazták meg Green Chemistry: Theory and Practice című könyvükben. Azóta a kémiaoktatásban tanított standard mérőszámmá vált, és számos új szintézismódszerről szóló kutatási tanulmányban közlik.

Gyakran ismételt kérdések

Mi az atomhatékonyság?

Az atomhatékonyság annak a reagenstömegnek a százalékos aránya, amely egy kémiai reakció során a kívánt termékbe kerül. Úgy határozható meg, hogy a termék moláris tömegét elosztjuk a reagensek teljes moláris tömegével, majd megszorozzuk 100-zal.

Miben különbözik az atomhatékonyság a hozamtól?

A hozam azt méri, hogy a reakció a felhasznált kiindulási anyag mennyiségéhez képest ténylegesen mennyi terméket állít elő az elméleti maximumhoz viszonyítva. Az atomhatékonyság mást mér: azt, hogy a reakció kémiája alapján a reagens tömegének mekkora része kerülhet egyáltalán a termékbe. Egy reakciónak egyszerre lehet magas a hozama és alacsony az atomhatékonysága, ha a termék mellett nagy tömegű mellékterméket is létrehoz.

Lehet az atomhatékonyság 100%?

Igen. Az addíciós reakciók, amelyekben a reagensmolekulák melléktermék felszabadulása nélkül egyesülnek, 100%-os atomhatékonyságot érnek el. Az átrendeződési reakciók, amelyek egy molekulán belül rendezik át az atomokat, szintén elérhetik a 100%-ot. Egy 100%-os atomhatékonyságú reakció összességében még lehet kedvezőtlen választás, ha alacsony a hozama, vagy ha a reagensei veszélyesek.

Az atomhatékonyság magában foglalja az oldószereket és a katalizátorokat?

Nem. A katalizátorok nem fogyasztódnak el a reakció során, ezért nem számítanak reagensnek. Az oldószereket általában szintén nem számítják bele, kivéve, ha az oldószer egy része beépül a termékbe. Emiatt egy reakció magas atomhatékonyságot mutathat úgy is, hogy közben nagy mennyiségű oldószert használ.

Mekkora a jó atomhatékonyság?

A 90% feletti érték kiválónak, a 70–90% közötti érték jónak számít, a 50% alatti érték pedig arra utal, hogy a reagens tömegének nagy része veszendőbe megy. Az elfogadható érték a reakciótól függ: egy összetett termék, amelyhez nem áll rendelkezésre jobb előállítási út, alacsonyabb atomhatékonyságot is indokolhat, mint egy egyszerű, nagy mennyiségben gyártott vegyület.

Hogyan használják a rendezett egyenlet együtthatóit a számításban?

Minden reagens és a termék esetében a kiegyenlített egyenletben szereplő együtthatót kell használni. A 2H₂ + O₂ → 2H₂O egyenletben a reagensek tömege 2 × (H₂ tömege) plusz 1 × (O₂ tömege), a termék tömege pedig 2 × (H₂O tömege). Az együtthatók elhagyása vagy egy ki nem egyenlített egyenlet használata olyan számot eredményez, amely nem a valós reakciót írja le.

Hivatkozások

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.