Atomo Ekonomikos Skaičiuoklė - Cheminės Reakcijos Efektyvumas

Kas yra atomų ekonomijos skaičiuoklė?

Atomų ekonomijos skaičiuoklė apskaičiuoja, kokia pradinių cheminės reakcijos medžiagų masės dalis patenka į norimą produktą, o ne į šalutinius atliekų produktus. Tam ji, remdamasi subalansuota chemine lygtimi, palygina produkto santykinę molekulinę masę su bendra reagentų santykine molekuline mase. Rezultatas išreiškiamas procentais: atomų ekonomija.

Atomų ekonomijos formulė

Atomų ekonomija apskaičiuojama taip:

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

čia A yra atomų ekonomija procentais, $M_p$ – norimo produkto santykinė molekulinė masė, o $M_r$ – bendra visų reagentų santykinė molekulinė masė.

Formulėje naudojami subalansuotos lygties koeficientai. Kiekvieno reagento santykinė molekulinė masė prieš sudedant mases padauginama iš jo koeficiento, o produkto santykinė molekulinė masė padauginama iš jam priskirto koeficiento.

Atomų ekonomijos sąvoką chemikas Barry M. Trostas įvedė 1991 m., siekdamas įvertinti, kiek efektyvi yra reakcijos schema, atskirai nuo to, kaip gerai ji praktiškai vyksta.

Kaip apskaičiuoti atomų ekonomiją

1. Užrašykite subalansuotą cheminės reakcijos lygtį.
2. Nustatykite norimo produkto molekulinę masę, naudodami jo koeficientą iš lygties.
3. Sudėkite visų reagentų molekulines mases, kiekvieną jų padauginę iš atitinkamo koeficiento.
4. Produkto masę padalykite iš bendros reagentų masės ir padauginkite iš 100.

Koeficientai rašomi prieš formulę, taip, kaip jie pateikiami lygtyje: 2H2O reiškia du vandens formulės vienetus. Be koeficiento įrašyta formulė apibūdina kitokią, nesubalansuotą lygtį ir duoda kitokį atsakymą.

Katalizatoriai ir tirpikliai į šį skaičiavimą neįtraukiami. Katalizatorius padeda vykti reakcijai, bet nėra sunaudojamas, todėl nelaikomas reagentu. Tirpikliai taip pat paprastai netampa produkto dalimi.

Darbinis pavyzdys: vandenilis ir deguonis

Panagrinėkime subalansuotą vandens susidarymo lygtį:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Naudojant atomines mases H = 1,008 ir O = 15,999, kai visos masės išreikštos gramais moliui (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• bendra reagentų masė = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

Atomų ekonomija $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Kiekvienas reagentų atomas patenka į produktą, todėl atomų ekonomija yra 100 %. To ir tikimasi iš tinkamai subalansuotos lygties, kurioje yra tik vienas produktas: masė negali atsirasti, todėl produkto masė niekada negali viršyti bendros jį sudariusių reagentų masės. Jei skaičiuojant gaunama didesnė nei 100 % reikšmė, įvesta lygtis nėra tinkamai subalansuota.

Užrašius tą pačią reakciją jos nesubalansavus, kaip H₂ + O₂ → H₂O, neaprašoma tikra reakcija ir gaunamas kitoks, beprasmis skaičius: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96 %. Todėl lygtį pirmiausia reikia subalansuoti.

Darbinis pavyzdys: aspirino sintezė

Aspirinas gaminamas iš salicilo rūgšties ir acto anhidrido:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• salicilo rūgštis (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• acto anhidridas (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• bendra reagentų masė: 240,21 g/mol
• aspirinas (C₉H₈O₄, norimas produktas): 180,16 g/mol

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

Likę 25 % masės iš reakcijos pasišalina kaip acto rūgštis – šalutinis produktas. Pramoninėje gamyboje ši acto rūgštis dažnai surenkama ir panaudojama pakartotinai, taip sumažinant nuostolius.

Rezultato aiškinimas

• 90–100%: didžioji dalis reagentų atomų patenka į produktą. Būdinga prisijungimo reakcijoms, kuriose nieko nelieka.
• 70–90%: geras efektyvumas, būdingas daugeliui katalizinių reakcijų.
• 50–70%: vidutinis efektyvumas. Substitucijos reakcijos, per kurias kaip atliekos išsiskiria atskylančioji grupė, dažnai patenka į šį intervalą.
• Mažiau nei 50 %: didžioji reagentų masės dalis tampa atliekomis, o ne produktu.

Šie intervalai yra tik apytikslis orientyras. Sudėtingas farmacinis tarpinis junginys, kuriam nėra švaresnio gamybos būdo, gali būti laikomas priimtinu esant 65 %, o paprasta biri cheminė medžiaga, kuriai yra pigesnių alternatyvų, – ne.

Ko atomų ekonomija neįvertina

Atomų ekonomija apima tik reagentus ir produktą, įrašytus subalansuotoje lygtyje. Ji neapima tirpiklių, katalizatorių ir reakcijai vykdyti reikalingos energijos. Reakcijos atomų ekonomija gali būti didelė, tačiau jai vis tiek gali reikėti daug tirpiklio arba ypač aukštos temperatūros ar slėgio. Norėdami susidaryti išsamesnį vaizdą, chemikai atomų ekonomiją derina su kitais rodikliais, pavyzdžiui, E faktoriumi (atliekų masės ir produkto masės santykiu) ir proceso masės intensyvumu (bendros sunaudotų medžiagų masės ir produkto masės santykiu).

Atomų ekonomijos istorija

Barry M. Trostas, tuo metu dirbęs chemiku Viskonsino universitete, o vėliau – Stanfordo universitete, atomų ekonomijos sąvoką pristatė 1991 m. žurnale Science paskelbtame straipsnyje „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency“. Iki tol chemikai reakciją dažniausiai vertindavo pagal išeigą: kiek gauto produkto kiekis priartėja prie teorinio maksimumo. Trosto idėja iškėlė kitą klausimą. Net ir esant didelei išeigai, kokia reagentų masės dalis galiausiai virsta šalutiniais produktais, o ne produktu?

1998 m. atomų ekonomija tapo antruoju iš dvylikos žaliosios chemijos principų, kuriuos savo knygoje Green Chemistry: Theory and Practice išdėstė Paulas Anastas ir Johnas Warneris. Nuo tada tai tapo standartiniu rodikliu, dėstomu chemijos kursuose ir nurodomu daugelyje naujų sintezės metodų tyrimų straipsnių.

Dažnai užduodami klausimai

Kas yra atomų ekonomija?

Atomų ekonomija – tai cheminės reakcijos reagentų masės procentinė dalis, patenkanti į norimą produktą. Ji nustatoma produkto santykinę molekulinę masę padalijus iš bendros reagentų santykinės molekulinės masės ir gautą rezultatą padauginus iš 100.

Kuo atomų ekonomija skiriasi nuo išeigos?

Išeiga parodo, kiek produkto reakcija faktiškai pagamina, palyginti su teoriniu maksimumu, atsižvelgiant į panaudotą pradinių medžiagų kiekį. Atomų ekonomija matuoja kitą dalyką: kokia reagentų masės dalis apskritai galėtų patekti į produktą, remiantis vien reakcijos chemija. Reakcijos išeiga gali būti didelė, o atomų ekonomija maža, jei kartu su produktu susidaro daug šalutinių produktų masės.

Ar atomų ekonomija gali būti 100 %?

Taip. Prisijungimo reakcijos, kuriose reagentų molekulės susijungia neišskirdamos šalutinio produkto, pasiekia 100 % atomų ekonomiją. Persigrupavimo reakcijos, per kurias atomai persitvarko molekulės viduje, taip pat gali pasiekti 100 %. Net ir esant 100 % atomų ekonomijai, reakcija apskritai gali būti netinkamas pasirinkimas, jei jos išeiga maža arba reagentai pavojingi.

Ar atomų ekonomija apima tirpiklius ir katalizatorius?

Ne. Katalizatoriai reakcijos metu nesunaudojami, todėl nelaikomi reagentais. Tirpikliai taip pat paprastai neįskaičiuojami, nebent dalis tirpiklio tampa produkto dalimi. Tai reiškia, kad reakcija gali pasižymėti didele atomų ekonomija ir vis tiek naudoti didelius tirpiklio kiekius.

Kokia atomų ekonomija yra gera?

Didesnė nei 90 % laikoma puikia, 70–90% – gera, o mažesnė nei 50 % rodo, kad didžioji reagentų masės dalis virsta atliekomis. Kas laikoma priimtina, priklauso nuo reakcijos: sudėtingas produktas, kuriam nėra geresnio gamybos būdo, gali pateisinti mažesnę atomų ekonomiją nei paprasta, dideliais kiekiais gaminama cheminė medžiaga.

Kaip skaičiuojant naudojami subalansuotos lygties koeficientai?

Kiekvienas reagentas ir produktas turi būti naudojamas su savo koeficientu iš subalansuotos lygties. Lygties 2H₂ + O₂ → 2H₂O reagentų masė apskaičiuojama taip: 2 × (H₂ masė) plius 1 × (O₂ masė), o produkto masė – 2 × (H₂O masė). Praleidus koeficientus arba naudojant nesubalansuotą lygtį gaunamas skaičius, neapibūdinantis tikrosios reakcijos.

Šaltiniai

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.