Aprēķiniet atomu ekonomiku, lai izmērītu, cik efektīvi reaģentu atomi kļūst par jūsu vēlamo produktu ķīmiskajās reakcijās. Būtiski zaļajai ķīmijai, ilgtspējīgai sintēzei un reakciju optimizācijai.
Līdzsvarotām reakcijām varat iekļaut koeficientus savās formulās:
Ievadiet derīgas ķīmiskās formulas, lai redzētu vizualizāciju
Atomu ekonomika ir pamatjēdziens zaļajā ķīmijā, kas mēra, cik efektīvi atomu no reaģentiem tiek iekļauti vēlamajā produktā ķīmiskajā reakcijā. To izstrādāja profesors Barijs Trosts 1991. gadā, atomu ekonomika pārstāv procentuālo daļu atomu no sākotnējiem materiāliem, kas kļūst par noderīgu produktu, padarot to par būtisku rādītāju, lai novērtētu ķīmisko procesu ilgtspējību un efektivitāti. Atšķirībā no tradicionālajām ražas aprēķināšanām, kas ņem vērā tikai iegūtā produkta daudzumu, atomu ekonomika koncentrējas uz atomu līmeņa efektivitāti, izceļot reakcijas, kas iztērē mazāk atomu un rada mazāk blakusproduktus.
Atomu ekonomikas kalkulators ļauj ķīmiķiem, studentiem un pētniekiem ātri noteikt atomu ekonomiku jebkurai ķīmiskajai reakcijai, vienkārši ievadot reaģentu un vēlamā produkta ķīmiskās formulas. Šis rīks palīdz identificēt zaļākus sintētiskos ceļus, optimizēt reakciju efektivitāti un samazināt atkritumu ražošanu ķīmiskajos procesos — galvenās principus ilgtspējīgas ķīmijas praksē.
Atomu ekonomika tiek aprēķināta, izmantojot sekojošo formulu:
Šis procents pārstāv, cik daudz atomu no jūsu sākotnējiem materiāliem nonāk jūsu mērķa produktā, nevis tiek iztērēti kā blakusprodukti. Augstāka atomu ekonomika norāda uz efektīvāku un videi draudzīgāku reakciju.
Atomu ekonomika piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem ražas mērījumiem:
Lai aprēķinātu atomu ekonomiku, jums nepieciešams:
Reakcijai: A + B → C + D (kur C ir vēlamais produkts)
Ievadiet produkta formulu:
Pievienojiet reaģentu formulas:
Rūpējieties par sabalansētām vienādojumiem:
Aprēķiniet rezultātus:
Kalkulators sniedz trīs galvenos informācijas gabalus:
Atoma ekonomika (%): Procentuālā daļa atomu no reaģentiem, kas nonāk vēlamajā produktā
Produkta molekulārais svars: Aprēķinātais molekulārais svars jūsu vēlamajam produktam
Kopējais reaģentu molekulārais svars: Visu reaģentu molekulāro svaru summa
Kalkulators arī sniedz vizuālu atomu ekonomikas attēlojumu, padarot to vieglāk saprotamu par reakcijas efektivitāti vienā skatījumā.
Atomu ekonomika tiek plaši izmantota ķīmiskajā un farmaceitiskajā nozarē, lai:
Procesu izstrāde: Novērtētu un salīdzinātu dažādus sintētiskos ceļus, lai izvēlētos visefektīvāko ceļu
Zaļā ražošana: Izstrādātu ilgtspējīgākus ražošanas procesus, kas samazina atkritumu ražošanu
Izmaksu samazināšana: Identificētu reakcijas, kas efektīvāk izmanto dārgus sākotnējos materiālus
Regulējošo prasību izpilde: Izpildītu arvien stingrākas vides regulas, samazinot atkritumus
Zaļās ķīmijas mācīšana: Demonstrētu ilgtspējīgas ķīmijas principus studentiem
Pētniecības plānošana: Palīdzētu pētniekiem izstrādāt efektīvākus sintētiskos ceļus
Publikāciju prasības: Daudzas žurnālus tagad prasa atomu ekonomikas aprēķinus jauniem sintētiskajiem metodēm
Studentu uzdevumi: Apmācītu ķīmijas studentus novērtēt reakciju efektivitāti, pārsniedzot tradicionālo ražu
Aspirīna sintēze:
Heck reakcija (pallādija katalizēta savienošana):
Click ķīmija (vara katalizēta azīda-alkīna cikloaddīcija):
Lai gan atomu ekonomika ir vērtīgs rādītājs, citas papildinošas mērījumus ietver:
E-Faktors (vides faktors):
Reakcijas masas efektivitāte (RME):
Procesa masas intensitāte (PMI):
Ogļūdeņraža efektivitāte:
Atoma ekonomikas jēdziens tika ieviests profesors Barijs M. Trosts no Stenfordas universitātes 1991. gadā viņa nozīmīgajā rakstā "Atoma ekonomika — meklējot sintētisko efektivitāti", kas publicēts žurnālā Science. Trosts ierosināja atomu ekonomiku kā pamatmetriķi, lai novērtētu ķīmisko reakciju efektivitāti atomu līmenī, novirzot uzmanību no tradicionālajiem ražas mērījumiem.
Atoma ekonomika ir fundamentāli mainījusi veidu, kā ķīmiķi pievēršas reakciju projektēšanai, novirzot uzmanību no ražas maksimizēšanas uz atkritumu samazināšanu molekulārā līmenī. Šī paradigmas maiņa ir novedusi pie daudzu "atomu ekonomisko" reakciju izstrādes, tostarp:
1' Excel formula atomu ekonomikas aprēķināšanai
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' Piemērs ar konkrētām vērtībām
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' Rezultāts: 52.96%
91def calculate_atom_economy(product_formula, reactant_formulas):
2 """
3 Aprēķināt atomu ekonomiku ķīmiskajai reakcijai.
4
5 Args:
6 product_formula (str): Vēlamā produkta ķīmiskā formula
7 reactant_formulas (list): Reaģentu ķīmisko formulu saraksts
8
9 Returns:
10 dict: Vārdu kopums, kas satur atomu ekonomikas procentuālo daļu, produkta svaru un reaģentu svaru
11 """
12 # Atomāro svaru vārdnīca
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 # Pievienojiet vairāk elementu pēc vajadzības
17 }
18
19 def parse_formula(formula):
20 """Analizēt ķīmisko formulu un aprēķināt molekulāro svaru."""
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"Nezināms elements: {element}")
32
33 return weight
34
35 # Aprēķināt molekulāros svarus
36 product_weight = parse_formula(product_formula)
37
38 reactants_weight = 0
39 for reactant in reactant_formulas:
40 if reactant: # Izlaist tukšus reaģentus
41 reactants_weight += parse_formula(reactant)
42
43 # Aprēķināt atomu ekonomiku
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# Piemēra izmantošana
53product = "H2O"
54reactants = ["H2", "O2"]
55result = calculate_atom_economy(product, reactants)
56print(f"Atoma ekonomika: {result['atom_economy']}%")
57print(f"Produkta svars: {result['product_weight']}")
58print(f"Reaģentu svars: {result['reactants_weight']}")
591function calculateAtomEconomy(productFormula, reactantFormulas) {
2 // Atomāro svaru saraksts
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 // Pievienojiet vairāk elementu pēc vajadzības
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(`Nezināms elements: ${element}`);
24 }
25 }
26
27 return weight;
28 }
29
30 // Aprēķināt molekulāros svarus
31 const productWeight = parseFormula(productFormula);
32
33 let reactantsWeight = 0;
34 for (const reactant of reactantFormulas) {
35 if (reactant.trim()) { // Izlaist tukšus reaģentus
36 reactantsWeight += parseFormula(reactant);
37 }
38 }
39
40 // Aprēķināt atomu ekonomiku
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// Piemēra izmantošana
51const product = "C9H8O4"; // Aspirīns
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // Salicilskābe un etiķskābe
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`Atoma ekonomika: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`Produkta svars: ${result.productWeight}`);
56console.log(`Reaģentu svars: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # Atomāro svaru saraksts
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # Analizēt ķīmisko formulu, izmantojot regex
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # Izvilkt elementa simbolu un skaitu
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count;
26 } else {
27 stop(paste("Nezināms elements:", element));
28 }
29 }
30
31 return(weight);
32 }
33
34 # Aprēķināt molekulāros svarus
35 product_weight <- parse_formula(product_formula);
36
37 reactants_weight <- 0;
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # Izlaist tukšus reaģentus
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant);
41 }
42 }
43
44 # Aprēķināt atomu ekonomiku
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100;
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ));
52}
53
54# Piemēra izmantošana
55product <- "CH3CH2OH" # Etanols
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # Etilēns un ūdens
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants);
58cat(sprintf("Atoma ekonomika: %.2f%%\n", result$atom_economy));
59cat(sprintf("Produkta svars: %.4f\n", result$product_weight));
60cat(sprintf("Reaģentu svars: %.4f\n", result$reactants_weight));
61Atomu ekonomika ir rādītājs, kas mēra, cik efektīvi atomu no reaģentiem tiek iekļauti vēlamajā produktā ķīmiskajā reakcijā. To aprēķina, dalot vēlamā produkta molekulāro svaru ar visu reaģentu kopējo molekulāro svaru un reizinot ar 100, lai iegūtu procentuālo daļu. Augstāki procenti norāda uz efektīvākām reakcijām ar mazāku atkritumu daudzumu.
Reakcijas raža mēra, cik daudz produkta faktiski iegūts salīdzinājumā ar teorētisko maksimumu, pamatojoties uz ierobežojošo reaģentu. Atomu ekonomika, tomēr, mēra teorētisko efektivitāti reakcijas projektēšanā atomu līmenī, neatkarīgi no tā, cik labi reakcija darbojas praksē. Reakcija var būt ar augstu ražu, bet ar zemu atomu ekonomiku, ja tā rada nozīmīgus blakusproduktus.
Atomu ekonomika ir pamatprincipu zaļajā ķīmijā, jo tā palīdz ķīmiķiem izstrādāt reakcijas, kas pamatā rada mazāk atkritumu, iekļaujot vairāk atomu no reaģentiem vēlamajā produktā. Tas noved pie ilgtspējīgākiem procesiem, samazinātas vides ietekmes un bieži vien zemākām ražošanas izmaksām.
Jā, reakcija var būt ar 100% atomu ekonomiku, ja visi atomi no reaģentiem nonāk vēlamajā produktā. Piemēri ietver pievienošanas reakcijas (piemēram, hidrogenēšana), cikloaddīcijas reakcijas (piemēram, Diels-Alder reakcijas) un pārvietošanās reakcijas, kur nav zaudēti atomi kā blakusprodukti.
Parasti atomu ekonomikas aprēķinos netiek iekļauti izšķīdinātāji vai katalizatori, ja vien tie netiek iekļauti galīgajā produktā. Tas ir tāpēc, ka katalizatori tiek atjaunoti reakcijas ciklā, un izšķīdinātāji parasti tiek atgūti vai atdalīti no produkta. Tomēr visaptverošākas zaļās ķīmijas metrikas, piemēram, E-faktors, ņem vērā šos papildu materiālus.
Lai uzlabotu atomu ekonomiku:
Lai gan augstāka atomu ekonomika parasti ir vēlama, tā nedrīkst būt vienīgais apsvērums, novērtējot reakciju. Citas faktorus, piemēram, drošību, enerģijas prasības, reakcijas ražu un reaģentu un blakusproduktu toksicitāti, ir arī svarīgi. Dažreiz reakcija ar zemāku atomu ekonomiku var būt priekšroka, ja tai ir citas nozīmīgas priekšrocības.
Reakcijām ar vairākiem vēlamajiem produktiem jūs varat:
Pieeja ir atkarīga no jūsu konkrētajiem analīzes mērķiem.
Jā, atomu ekonomikas aprēķiniem jāizmanto pareizi sabalansēti ķīmiskie vienādojumi, kas atspoguļo pareizu reakcijas stihiju. Koeficienti sabalansētajā vienādojumā ietekmē attiecīgos reaģentu daudzumus un tādējādi kopējo reaģentu molekulāro svaru, kas tiek izmantots aprēķināšanā.
Atomu ekonomikas aprēķini var būt ļoti precīzi, ja tiek izmantoti precīzi atomu svari un pareizi sabalansēti vienādojumi. Tomēr tie pārstāv teorētisko maksimālo efektivitāti un neņem vērā praktiskos jautājumus, piemēram, nepilnīgas reakcijas, blakus reakcijas vai attīrīšanas zudumus, kas ietekmē reālās pasaules procesus.
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). Zaļā ķīmija: teorija un prakse. 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). Zaļās ķīmijas metriķi: ceļvedis, lai noteiktu un novērtētu procesu zaļumu. Springer.
Amerikas ķīmijas biedrība. (2023). Zaļā ķīmija. Iegūts no 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). Zaļā ķīmija. Iegūts no https://www.epa.gov/greenchemistry
Atomu ekonomikas kalkulators sniedz jaudīgu rīku, lai novērtētu ķīmisko reakciju efektivitāti un ilgtspējību atomu līmenī. Koncentrējoties uz to, cik efektīvi atomi no reaģentiem tiek iekļauti vēlamajos produktos, ķīmiķi var izstrādāt zaļākus procesus, kas samazina atkritumu ražošanu.
Neatkarīgi no tā, vai esat students, kurš mācās par zaļās ķīmijas principiem, pētnieks, kurš izstrādā jaunas sintētiskās metodes, vai rūpnieciskais ķīmiķis, kurš optimizē ražošanas procesus, atomu ekonomikas izpratne un piemērošana var novest pie ilgtspējīgākām ķīmijas praksēm. Kalkulators padara šo analīzi pieejamu un vienkāršu, palīdzot virzīt zaļās ķīmijas mērķus dažādās jomās.
Ievietojot atomu ekonomikas apsvērumus reakciju projektēšanā un izvēlē, mēs varam strādāt uz nākotni, kur ķīmiskie procesi nav tikai augsti ražīgi un izmaksu efektīvi, bet arī videi draudzīgi un ilgtspējīgi.
Izmēģiniet atomu ekonomikas kalkulatoru šodien, lai analizētu savas ķīmiskās reakcijas un atklātu iespējas zaļākai ķīmijai!
Atklājiet vairāk rīku, kas varētu būt noderīgi jūsu darbplūsmai