Atomu ekonomijas kalkulators - Ķīmiskās reakcijas efektivitāte

Kas ir atomu ekonomijas kalkulators?

Atomu ekonomijas kalkulators aprēķina, cik liela daļa no ķīmiskās reakcijas izejvielu masas nonāk vēlamajā produktā, nevis blakusproduktos, kas kļūst par atkritumiem. To nosaka, salīdzinot produkta molekulmasu ar visu reaģentu kopējo molekulmasu, izmantojot līdzsvarotu ķīmisko vienādojumu. Rezultāts ir procentuāla vērtība — atomu ekonomija.

Atomu ekonomijas formula

Atomu ekonomiju aprēķina šādi:

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

kur A ir atomu ekonomija procentos, $M_p$ vēlamā produkta molekulmasa un $M_r$ visu reaģentu kopējā molekulmasa.

Formulā izmanto līdzsvarotā vienādojuma koeficientus. Katra reaģenta molekulmasu pirms summēšanas reizina ar tā koeficientu, bet produkta molekulmasu reizina ar produkta koeficientu.

Atomu ekonomiju 1991. gadā ieviesa ķīmiķis Berijs M. Trosts, lai novērtētu, cik efektīvi izstrādāta reakcija neatkarīgi no tā, cik labi tā norisinās praksē.

Kā aprēķināt atomu ekonomiju

1. Uzraksta reakcijas līdzsvaroto ķīmisko vienādojumu.
2. Atrod vēlamā produkta molekulmasu, izmantojot tā koeficientu vienādojumā.
3. Saskaita visu reaģentu molekulmasas, katru reizinot ar tā koeficientu.
4. Produkta masu izdala ar reaģentu kopējo masu un rezultātu reizina ar 100.

Koeficientus raksta formulas priekšā, kā tie parādās vienādojumā: 2H2O ir divas ūdens formulas vienības. Formula bez koeficienta apraksta citu, nelīdzsvarotu vienādojumu un dod citu rezultātu.

Katalizatorus un šķīdinātājus šajā aprēķinā neiekļauj. Katalizators veicina reakcijas norisi, bet netiek patērēts, tāpēc to neuzskata par reaģentu. Arī šķīdinātāji parasti nekļūst par produkta sastāvdaļu.

Praktisks piemērs: ūdeņradis un skābeklis

Aplūkosim līdzsvaroto vienādojumu ūdens iegūšanai:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Izmantojot atommasas H = 1,008 un O = 15,999, visas masas izsakot gramos uz molu (g/mol):

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

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

Visi reaģentu atomi nonāk produktā, tāpēc atomu ekonomija ir 100%. Tas ir sagaidāms pareizi līdzsvarotam vienādojumam, kurā ir tikai viens produkts: masa nevar rasties no jauna, tāpēc produkta masa nekad nevar pārsniegt to reaģentu kopējo masu, no kuriem tas iegūts. Ja aprēķinā iegūst vērtību virs 100%, ievadītais vienādojums nav pareizi līdzsvarots.

Tās pašas reakcijas uzrakstīšana bez līdzsvarošanas, H₂ + O₂ → H₂O, neapraksta reālu reakciju un dod citu, bezjēdzīgu skaitli: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96%. Tāpēc vienādojums vispirms ir jālīdzsvaro.

Praktisks piemērs: aspirīna sintēze

Aspirīnu iegūst no salicilskābes un etiķskābes anhidrīda:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• salicilskābe (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• etiķskābes anhidrīds (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• reaģentu kopējā masa: 240,21 g/mol
• aspirīns (C₉H₈O₄, vēlamais produkts): 180,16 g/mol

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

Atlikušie 25% masas reakcijas laikā izdalās kā etiķskābe, kas ir blakusprodukts. Rūpnieciskajā ražošanā šo etiķskābi parasti atgūst un izmanto atkārtoti, tā mazinot zudumus.

Rezultāta interpretācija

• 90–100%: lielākā daļa reaģentu atomu nonāk produktā. Tas raksturīgs pievienošanās reakcijām, kurās nekas nepaliek pāri.
• 70–90%: laba efektivitāte, kas raksturīga daudzām katalītiskajām reakcijām.
• 50–70%: vidēja efektivitāte. Šajā diapazonā bieži ietilpst aizvietošanas reakcijas, kurās kā atkritumi izdalās aizejošā grupa.
• Zem 50%: lielākā daļa reaģentu masas kļūst par atkritumiem, nevis produktu.

Šie diapazoni ir tikai aptuvens orientieris. Sarežģītu farmaceitisku starpproduktu, kam nav pieejams tīrāks iegūšanas ceļš, var uzskatīt par pieņemamu pie 65%, savukārt vienkāršai beramķimikālijai ar lētākām alternatīvām šāds rezultāts nebūtu pieņemams.

Ko atomu ekonomija neuzrāda

Atomu ekonomijā ņem vērā tikai reaģentus un produktu, kas ierakstīti līdzsvarotajā vienādojumā. Tajā neiekļauj šķīdinātājus, katalizatorus un reakcijas norisei nepieciešamo enerģiju. Reakcijai var būt augsta atomu ekonomija, bet tā joprojām var izmantot lielu daudzumu šķīdinātāja vai prasīt ļoti augstu temperatūru vai spiedienu. Pilnīgākam novērtējumam ķīmiķi atomu ekonomiju apvieno ar citiem rādītājiem, piemēram, E koeficientu (atkritumu masas attiecību pret produkta masu) un procesa masas intensitāti (izmantotās kopējās masas attiecību pret produkta masu).

Atomu ekonomijas vēsture

Berijs M. Trosts, tolaik ķīmiķis Viskonsinas Universitātē un vēlāk Stenforda universitātē, atomu ekonomijas jēdzienu ieviesa 1991. gada rakstā žurnālā Science ar nosaukumu “The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency”. Pirms tam ķīmiķi reakciju galvenokārt vērtēja pēc iznākuma: cik tuvs iegūtā produkta daudzums bija teorētiski maksimālajam. Trosta ideja pievienoja citu jautājumu: pat pie augsta iznākuma — cik liela daļa reaģentu masas nonāk blakusproduktos, nevis produktā?

1998. gadā atomu ekonomija kļuva par Zaļās ķīmijas divpadsmit principu otro principu, ko Pols Anastas un Džons Vorners izklāstīja grāmatā Green Chemistry: Theory and Practice. Kopš tā laika to māca kā standarta rādītāju ķīmijas kursos un norāda daudzos pētījumos par jaunām sintēzes metodēm.

Bieži uzdotie jautājumi

Kas ir atomu ekonomija?

Atomu ekonomija ir tā reaģentu masas procentuālā daļa, kas ķīmiskajā reakcijā nonāk vēlamajā produktā. To iegūst, produkta molekulmasu izdalot ar reaģentu kopējo molekulmasu un rezultātu reizinot ar 100.

Ar ko atomu ekonomija atšķiras no iznākuma?

Iznākums parāda, cik daudz produkta reakcija faktiski rada salīdzinājumā ar teorētiski maksimālo daudzumu, ņemot vērā izmantoto izejvielas daudzumu. Atomu ekonomija mēra ko citu: cik liela daļa reaģentu masas vispār var nonākt produktā, pamatojoties tikai uz reakcijas ķīmiju. Reakcijai vienlaikus var būt augsts iznākums un zema atomu ekonomija, ja līdztekus produktam rodas liels daudzums blakusproduktu.

Vai atomu ekonomija var būt 100%?

Jā. Pievienošanās reakcijās, kur reaģentu molekulas savienojas, neizdalot blakusproduktus, atomu ekonomija sasniedz 100%. Arī pārkārtošanās reakcijās, kurās atomi tiek pārkārtoti molekulas ietvaros, tā var sasniegt 100%. Reakcija ar 100% atomu ekonomiju kopumā joprojām var būt slikta izvēle, ja tās iznākums ir zems vai reaģenti ir bīstami.

Vai atomu ekonomijā iekļauj šķīdinātājus un katalizatorus?

Nē. Katalizatori reakcijas laikā netiek patērēti, tāpēc tos neuzskata par reaģentiem. Parasti neiekļauj arī šķīdinātājus, ja vien daļa šķīdinātāja netiek iekļauta produktā. Tādējādi reakcijai var būt augsta atomu ekonomija, lai gan tā izmanto lielus šķīdinātāja tilpumus.

Kāda atomu ekonomija ir laba?

Vērtību virs 90% uzskata par izcilu, 70–90% ir laba, bet vērtība zem 50% liecina, ka lielākā daļa reaģentu masas tiek izšķērdēta. Pieņemamais līmenis ir atkarīgs no reakcijas: sarežģīts produkts, kam nav pieejams labāks iegūšanas ceļš, var attaisnot zemāku atomu ekonomiju nekā vienkārša, lielos daudzumos ražota ķimikālija.

Kā aprēķinā izmanto līdzsvarota vienādojuma koeficientus?

Katram reaģentam un produktam jāizmanto tā koeficients no līdzsvarotā vienādojuma. Vienādojumā 2H₂ + O₂ → 2H₂O reaģentu masa ietver 2 × (H₂ masa) plus 1 × (O₂ masa), bet produkta masa ietver 2 × (H₂O masa). Ja koeficientus izlaiž vai izmanto nelīdzsvarotu vienādojumu, iegūtais skaitlis neapraksta faktisko reakciju.

Atsauces

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.