Kalkulator Ekonomi Atom - Kecekapan Tindak Balas Kimia

Apakah kalkulator ekonomi atom?

Kalkulator ekonomi atom mengira berapa banyak jisim bahan permulaan bagi sesuatu tindak balas kimia yang berakhir dalam produk yang dikehendaki, bukannya dalam hasil sampingan sisa. Pengiraan ini membandingkan berat molekul produk dengan jumlah berat molekul bahan tindak balas menggunakan persamaan kimia seimbang. Hasilnya ialah peratusan yang disebut ekonomi atom.

Formula ekonomi atom

Ekonomi atom dikira seperti berikut:

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

dengan A ialah ekonomi atom sebagai peratusan, $M_p$ ialah berat molekul produk yang dikehendaki dan $M_r$ ialah jumlah berat molekul semua bahan tindak balas.

Formula ini menggunakan pekali daripada persamaan seimbang. Berat molekul setiap bahan tindak balas didarab dengan pekalinya sebelum semua berat dijumlahkan, manakala berat molekul produk didarab dengan pekalinya sendiri.

Ekonomi atom diperkenalkan oleh ahli kimia Barry M. Trost pada 1991 sebagai cara untuk menilai kecekapan reka bentuk sesuatu tindak balas, secara berasingan daripada sejauh mana tindak balas itu berjalan dalam amalan.

Cara mengira ekonomi atom

1. Tuliskan persamaan kimia seimbang bagi tindak balas tersebut.
2. Tentukan berat molekul produk yang dikehendaki menggunakan pekalinya daripada persamaan.
3. Jumlahkan berat molekul semua bahan tindak balas selepas setiap satunya didarab dengan pekalinya.
4. Bahagikan berat produk dengan jumlah berat bahan tindak balas, kemudian darabkan dengan 100.

Pekali ditulis di hadapan formula, seperti yang muncul dalam persamaan: 2H2O ialah dua unit formula air. Formula yang dimasukkan tanpa pekalinya menerangkan persamaan yang berbeza dan tidak seimbang, lalu memberikan jawapan yang berbeza.

Mangkin dan pelarut tidak diambil kira dalam pengiraan ini. Mangkin membantu tindak balas berlaku tetapi tidak habis digunakan, jadi ia tidak dikira sebagai bahan tindak balas. Pelarut biasanya juga tidak menjadi sebahagian daripada produk.

Contoh pengiraan: hidrogen dan oksigen

Pertimbangkan persamaan seimbang bagi penghasilan air:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Dengan menggunakan berat atom H = 1.008 dan O = 15.999, dengan semua berat dalam gram per mol (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2.016 = 4.032 g/mol
• O₂ = 31.998 g/mol
• jumlah berat bahan tindak balas = 4.032 + 31.998 = 36.030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18.015 = 36.030 g/mol

Ekonomi atom $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Setiap atom dalam bahan tindak balas berakhir dalam produk, jadi ekonomi atom ialah 100%. Ini dijangka bagi persamaan yang diseimbangkan dengan betul dan hanya mempunyai satu produk: jisim tidak boleh dicipta, jadi jisim produk tidak mungkin melebihi jumlah jisim bahan tindak balas yang menghasilkannya. Jika pengiraan menghasilkan nilai melebihi 100%, persamaan yang dimasukkan tidak diseimbangkan dengan betul.

Menulis tindak balas yang sama tanpa mengimbanginya, sebagai H₂ + O₂ → H₂O, tidak menerangkan tindak balas sebenar dan memberikan nombor yang berbeza serta tidak bermakna: 18.015 ÷ (2.016 + 31.998) × 100 = 52.96%. Oleh itu, persamaan mesti diseimbangkan terlebih dahulu.

Contoh pengiraan: sintesis aspirin

Aspirin dihasilkan daripada asid salisilik dan anhidrida asetik:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• asid salisilik (C₇H₆O₃): 138.12 g/mol
• anhidrida asetik (C₄H₆O₃): 102.09 g/mol
• jumlah berat bahan tindak balas: 240.21 g/mol
• aspirin (C₉H₈O₄, produk yang dikehendaki): 180.16 g/mol

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

Baki 25% jisim meninggalkan tindak balas sebagai asid asetik, iaitu hasil sampingan. Dalam pengeluaran perindustrian, asid asetik ini lazimnya diperoleh semula dan digunakan semula, sekali gus membantu mengimbangi kehilangan tersebut.

Mentafsir hasil

• 90–100%: kebanyakan atom bahan tindak balas berakhir dalam produk. Lazim bagi tindak balas penambahan, yang tidak meninggalkan bahan berlebihan.
• 70–90%: kecekapan yang baik, lazim dalam banyak tindak balas bermangkin.
• 50–70%: sederhana. Tindak balas penggantian, yang membebaskan kumpulan penyingkir sebagai sisa, sering berada dalam julat ini.
• Di bawah 50%: kebanyakan jisim bahan tindak balas menjadi sisa dan bukannya produk.

Julat ini hanyalah panduan kasar. Bahan perantara farmaseutikal yang kompleks dan tiada laluan yang lebih bersih mungkin dianggap boleh diterima pada 65%, manakala bahan kimia pukal yang ringkas dengan alternatif yang lebih murah tidak akan dianggap demikian.

Perkara yang tidak diukur oleh ekonomi atom

Ekonomi atom hanya mengambil kira bahan tindak balas dan produk yang ditulis dalam persamaan seimbang. Ia tidak mengambil kira pelarut, mangkin atau tenaga yang diperlukan untuk menjalankan tindak balas. Sesuatu tindak balas boleh mempunyai ekonomi atom yang tinggi tetapi masih menggunakan pelarut dalam jumlah yang besar, atau memerlukan suhu atau tekanan yang ekstrem. Untuk gambaran yang lebih lengkap, ahli kimia menggabungkan ekonomi atom dengan ukuran lain, seperti faktor E (jisim sisa dibahagi dengan jisim produk) dan keamatan jisim proses (jumlah jisim yang digunakan dibahagi dengan jisim produk).

Sejarah ekonomi atom

Barry M. Trost, seorang ahli kimia yang ketika itu di University of Wisconsin dan kemudiannya di Stanford University, memperkenalkan konsep ekonomi atom dalam makalah 1991 dalam jurnal Science bertajuk “The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency.” Sebelum itu, ahli kimia kebanyakannya menilai tindak balas berdasarkan hasil: sejauh mana jumlah produk yang diperoleh menghampiri maksimum teori. Gagasan Trost menambahkan persoalan yang berbeza. Walaupun hasilnya tinggi, berapa banyak jisim bahan tindak balas yang berakhir sebagai hasil sampingan dan bukannya produk?

Pada 1998, ekonomi atom menjadi Prinsip Kedua daripada Dua Belas Prinsip Kimia Hijau yang dikemukakan oleh Paul Anastas dan John Warner dalam buku mereka Green Chemistry: Theory and Practice. Sejak itu, ekonomi atom menjadi ukuran piawai yang diajarkan dalam kursus kimia dan dilaporkan dalam banyak makalah penyelidikan tentang kaedah sintesis baharu.

Soalan lazim

Apakah ekonomi atom?

Ekonomi atom ialah peratusan jisim bahan tindak balas dalam sesuatu tindak balas kimia yang berakhir dalam produk yang dikehendaki. Nilai ini diperoleh dengan membahagikan berat molekul produk dengan jumlah berat molekul bahan tindak balas, kemudian mendarabkannya dengan 100.

Apakah perbezaan antara ekonomi atom dengan hasil?

Hasil mengukur jumlah produk yang sebenarnya dihasilkan oleh sesuatu tindak balas berbanding dengan maksimum teori, berdasarkan jumlah bahan permulaan yang digunakan. Ekonomi atom mengukur perkara yang berbeza: berapa banyak jisim bahan tindak balas yang berpotensi berakhir dalam produk, berdasarkan kimia tindak balas itu semata-mata. Sesuatu tindak balas boleh mempunyai hasil yang tinggi dan ekonomi atom yang rendah pada masa yang sama jika tindak balas itu menghasilkan banyak jisim hasil sampingan bersama-sama produk.

Bolehkah ekonomi atom menjadi 100%?

Ya. Tindak balas penambahan, yang menggabungkan molekul bahan tindak balas tanpa membebaskan hasil sampingan, mencapai ekonomi atom 100%. Tindak balas penyusunan semula, yang menyusun semula atom dalam sesuatu molekul, juga boleh mencapai 100%. Tindak balas dengan ekonomi atom 100% masih boleh menjadi pilihan keseluruhan yang kurang baik jika hasilnya rendah atau bahan tindak balasnya berbahaya.

Adakah ekonomi atom merangkumi pelarut dan mangkin?

Tidak. Mangkin tidak digunakan habis semasa tindak balas, jadi ia tidak dikira sebagai bahan tindak balas. Pelarut biasanya juga tidak dikira, kecuali sebahagian daripada pelarut itu tergabung ke dalam produk. Ini bermakna sesuatu tindak balas boleh menunjukkan ekonomi atom yang tinggi tetapi masih menggunakan pelarut dalam isipadu yang besar.

Apakah ekonomi atom yang baik?

Nilai melebihi 90% dianggap cemerlang, 70–90% dianggap baik, dan nilai di bawah 50% menunjukkan bahawa kebanyakan jisim bahan tindak balas menjadi sisa. Perkara yang dianggap boleh diterima bergantung pada tindak balas: produk kompleks yang tiada laluan lebih baik boleh membenarkan ekonomi atom yang lebih rendah berbanding bahan kimia ringkas yang dihasilkan dalam jumlah besar.

Bagaimanakah pekali dalam persamaan seimbang digunakan dalam pengiraan?

Setiap bahan tindak balas dan produk mesti menggunakan pekalinya daripada persamaan seimbang. Bagi 2H₂ + O₂ → 2H₂O, berat bahan tindak balas menggunakan 2 × (berat H₂) ditambah 1 × (berat O₂), manakala berat produk menggunakan 2 × (berat H₂O). Mengabaikan pekali atau menggunakan persamaan yang tidak seimbang menghasilkan nombor yang tidak menerangkan tindak balas sebenar.

Rujukan

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.