Atoomeconomie Calculator - Chemische Reactie-efficiëntie
Bereken direct de atoomeconomie voor elke chemische reactie. Vergelijk syntheseroutes, optimaliseer groene scheikundige processen en reduceer afval. Gratis calculator voor studenten, onderzoekers en scheikundigen.
Atoomeconomie Calculator
Voor gebalanceerde reacties kunt u coëfficiënten in uw formules opnemen:
- Voor H₂ + O₂ → H₂O, gebruik 2H2O als het product voor 2 mol water
- Voor 2H₂ + O₂ → 2H₂O, voer H2 en O2 in als reactanten
Resultaten
Voer geldige chemische formules in om visualisatie te zien
Documentatie
Wat is een atoomeconomiecalculator?
Een atoomeconomiecalculator berekent welk deel van de massa van de uitgangsstoffen van een chemische reactie in het gewenste product terechtkomt, in plaats van in afvalbijproducten. Dit gebeurt door de molecuulmassa van het product te vergelijken met de totale molecuulmassa van de reagentia, aan de hand van de gebalanceerde reactievergelijking. Het resultaat is een percentage: de atoomeconomie.
Formule voor atoomeconomie
De atoomeconomie wordt berekend als:
waarbij A de atoomeconomie als percentage is, de molecuulmassa van het gewenste product en de totale molecuulmassa van alle reactanten.
De formule gebruikt de coëfficiënten uit de gebalanceerde reactievergelijking. De molecuulmassa van elk reagens wordt met zijn coëfficiënt vermenigvuldigd voordat de massa's bij elkaar worden opgeteld, en de molecuulmassa van het product wordt met zijn eigen coëfficiënt vermenigvuldigd.
De atoomeconomie werd in 1991 geïntroduceerd door de chemicus Barry M. Trost, als een manier om te beoordelen hoe efficiënt het ontwerp van een reactie is, onafhankelijk van hoe goed de reactie in de praktijk verloopt.
Atoomeconomie berekenen
- Schrijf de gebalanceerde reactievergelijking van de reactie uit.
- Bepaal de molecuulmassa van het gewenste product en gebruik daarbij de coëfficiënt uit de vergelijking.
- Tel de molecuulmassa's van alle reagentia op, waarbij elke massa met haar coëfficiënt wordt vermenigvuldigd.
- Deel de productmassa door de totale massa van de reagentia en vermenigvuldig vervolgens met 100.
Coëfficiënten worden vóór de formule geschreven, zoals ze in de vergelijking voorkomen: 2H2O staat voor twee formule-eenheden water. Een formule zonder coëfficiënt beschrijft een andere, niet-gebalanceerde vergelijking en geeft een ander antwoord.
Katalysatoren en oplosmiddelen worden bij deze berekening weggelaten. Een katalysator helpt de reactie plaatsvinden maar wordt niet verbruikt, en wordt daarom niet als reagens geteld. Oplosmiddelen worden doorgaans ook geen onderdeel van het product.
Uitgewerkt voorbeeld: waterstof en zuurstof
Beschouw de gebalanceerde vergelijking voor de vorming van water:
2H₂ + O₂ → 2H₂O
Met atoomgewichten H = 1,008 en O = 15,999, waarbij alle massa's zijn uitgedrukt in gram per mol (g/mol):
- 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
- O₂ = 31,998 g/mol
- totale massa van de reagentia = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
- 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol
Atoomeconomie
Elk atoom van de reagentia komt in het product terecht, dus de atoomeconomie is 100%. Dit is te verwachten bij een correct gebalanceerde vergelijking met slechts één product: massa kan niet worden gecreëerd, dus de massa van het product kan nooit groter zijn dan de gecombineerde massa van de reagentia waaruit het is gevormd. Als een berekening een waarde boven 100% oplevert, is de ingevoerde vergelijking niet correct gebalanceerd.
Het uitschrijven van dezelfde reactie zonder deze te balanceren, als H₂ + O₂ → H₂O, beschrijft geen echte reactie en geeft een ander, betekenisloos getal: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96%. Daarom moet de vergelijking eerst worden gebalanceerd.
Uitgewerkt voorbeeld: synthese van aspirine
Aspirine wordt gemaakt uit salicylzuur en azijnzuuranhydride:
C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂
- salicylzuur (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
- azijnzuuranhydride (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
- totale massa van de reagentia: 240,21 g/mol
- aspirine (C₉H₈O₄, het gewenste product): 180,16 g/mol
Atoomeconomie
De resterende 25% van de massa verlaat de reactie als azijnzuur, een bijproduct. Bij industriële productie wordt dit azijnzuur vaak teruggewonnen en opnieuw gebruikt, wat het verlies helpt compenseren.
Het resultaat interpreteren
- 90–100%: de meeste atomen van de reagentia komen in het product terecht. Dit is kenmerkend voor additiereacties, waarbij niets overblijft.
- 70–90%: goede efficiëntie, gebruikelijk bij veel katalytische reacties.
- 50–70%: matig. Substitutiereacties, waarbij een vertrekkende groep als afval vrijkomt, vallen vaak binnen dit bereik.
- Onder 50%: het grootste deel van de massa van de reagentia wordt afval in plaats van product.
Deze bereiken zijn slechts een ruwe richtlijn. Een complex farmaceutisch tussenproduct waarvoor geen schonere route beschikbaar is, kan bij 65% als aanvaardbaar worden beschouwd, terwijl dat niet geldt voor een eenvoudige bulkchemische stof met goedkopere alternatieven.
Wat atoomeconomie niet meet
De atoomeconomie houdt alleen rekening met de reagentia en het product die in de gebalanceerde reactievergelijking staan. Oplosmiddelen, katalysatoren en de energie die nodig is om de reactie uit te voeren, worden buiten beschouwing gelaten. Een reactie kan een hoge atoomeconomie hebben en toch veel oplosmiddel gebruiken of een extreme temperatuur of druk vereisen. Voor een vollediger beeld combineren chemici de atoomeconomie met andere maatstaven, zoals de E-factor (massa van het afval gedeeld door de massa van het product) en de procesmassa-intensiteit (totale gebruikte massa gedeeld door de massa van het product).
Geschiedenis van de atoomeconomie
Barry M. Trost, destijds chemicus aan de University of Wisconsin en later aan Stanford University, introduceerde het concept van atoomeconomie in een artikel uit 1991 in het tijdschrift Science, "The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency." Daarvoor beoordeelden chemici een reactie meestal aan de hand van de opbrengst: hoe dicht de verkregen hoeveelheid product bij het theoretische maximum kwam. Trosts idee voegde daar een andere vraag aan toe. Zelfs bij een hoge opbrengst: hoeveel van de massa van de reagentia eindigt als bijproduct in plaats van als product?
In 1998 werd de atoomeconomie het tweede principe van de twaalf principes van groene chemie, opgesteld door Paul Anastas en John Warner in hun boek Green Chemistry: Theory and Practice. Sindsdien is het een standaardmaatstaf geworden die in scheikundecursussen wordt onderwezen en in veel onderzoeksartikelen over nieuwe synthetische methoden wordt vermeld.
Veelgestelde vragen
Wat is atoomeconomie?
Atoomeconomie is het percentage van de massa van de reagentia in een chemische reactie dat in het gewenste product terechtkomt. Dit wordt gevonden door de molecuulmassa van het product te delen door de totale molecuulmassa van de reagentia en vervolgens te vermenigvuldigen met 100.
Waarin verschilt atoomeconomie van opbrengst?
De opbrengst meet hoeveel product een reactie daadwerkelijk produceert in vergelijking met het theoretische maximum, gegeven de gebruikte hoeveelheid uitgangsmateriaal. Atoomeconomie meet iets anders: welk deel van de massa van de reagentia überhaupt in het product kan terechtkomen, uitsluitend op basis van de chemie van de reactie. Een reactie kan tegelijk een hoge opbrengst en een lage atoomeconomie hebben als naast het product veel massa van bijproducten ontstaat.
Kan atoomeconomie 100% zijn?
Ja. Additiereacties, waarbij moleculen van reagentia zich combineren zonder een bijproduct af te geven, bereiken een atoomeconomie van 100%. Herschikkingsreacties, waarbij atomen binnen een molecuul worden herschikt, kunnen ook 100% bereiken. Een reactie met een atoomeconomie van 100% kan toch in het algemeen een slechte keuze zijn als de opbrengst laag is of de reagentia gevaarlijk zijn.
Omvat atoomeconomie oplosmiddelen en katalysatoren?
Nee. Katalysatoren worden tijdens de reactie niet verbruikt en worden daarom niet als reagentia geteld. Oplosmiddelen worden doorgaans evenmin meegeteld, tenzij een deel van het oplosmiddel in het product wordt opgenomen. Daardoor kan een reactie een hoge atoomeconomie vertonen terwijl ze toch grote hoeveelheden oplosmiddel gebruikt.
Wat is een goede atoomeconomie?
Boven 90% wordt als uitstekend beschouwd, 70–90% is goed, en onder 50% wijst erop dat het grootste deel van de massa van de reagentia verloren gaat. Wat aanvaardbaar is, hangt van de reactie af: een complex product waarvoor geen betere route beschikbaar is, kan een lagere atoomeconomie rechtvaardigen dan een eenvoudige chemische stof die in grote hoeveelheden wordt geproduceerd.
Hoe worden de coëfficiënten in een gebalanceerde reactievergelijking bij de berekening gebruikt?
Elk reagens en het product moeten hun coëfficiënten uit de gebalanceerde reactievergelijking gebruiken. Voor 2H₂ + O₂ → 2H₂O wordt voor de massa van de reagentia 2 × (massa van H₂) plus 1 × (massa van O₂) gebruikt, en voor de productmassa 2 × (massa van H₂O). Het overslaan van de coëfficiënten of het gebruiken van een niet-gebalanceerde vergelijking levert een getal op dat de echte reactie niet beschrijft.
Referenties
- Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471–1477.
- Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. 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.