Calculator de Economie Atomică - Eficiența Reacțiilor Chimice

Ce este un calculator al economiei atomice?

Un calculator al economiei atomice determină cât din masa materiilor prime ale unei reacții chimice ajunge în produsul dorit, în loc să ajungă în coproduse reziduale. Acesta face acest lucru comparând masa moleculară a produsului cu masa moleculară totală a reactanților, folosind ecuația chimică echilibrată. Rezultatul este un procent: economia atomică.

Formula economiei atomice

Economia atomică se calculează astfel:

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

unde A este economia atomică exprimată procentual, $M_p$ este masa moleculară a produsului dorit, iar $M_r$ este masa moleculară totală a tuturor reactanților.

Formula folosește coeficienții din ecuația echilibrată. Masa moleculară a fiecărui reactant se înmulțește cu coeficientul său înainte de adunarea maselor, iar masa moleculară a produsului se înmulțește cu propriul coeficient.

Economia atomică a fost introdusă de chimistul Barry M. Trost în 1991, ca modalitate de a evalua eficiența concepției unei reacții, independent de modul în care aceasta se desfășoară în practică.

Cum se calculează economia atomică

1. Scrieți ecuația chimică echilibrată a reacției.
2. Determinați masa moleculară a produsului dorit, folosind coeficientul său din ecuație.
3. Adunați masele moleculare ale tuturor reactanților, fiecare înmulțită cu coeficientul său.
4. Împărțiți masa produsului la masa totală a reactanților, apoi înmulțiți cu 100.

Coeficienții se scriu înaintea formulei, așa cum apar în ecuație: 2H2O reprezintă două unități formulă de apă. O formulă introdusă fără coeficient descrie o altă ecuație, dezechilibrată, și dă un rezultat diferit.

Catalizatorii și solvenții sunt excluși din acest calcul. Un catalizator ajută reacția să aibă loc, dar nu se consumă, astfel că nu este considerat reactant. De obicei, nici solvenții nu devin parte a produsului.

Exemplu rezolvat: hidrogen și oxigen

Să analizăm ecuația echilibrată pentru obținerea apei:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Folosind masele atomice H = 1,008 și O = 15,999, toate masele fiind exprimate în grame pe mol (g/mol):

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

Economia atomică $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Fiecare atom din reactanți ajunge în produs, astfel că economia atomică este 100 %. Acest lucru este de așteptat pentru o ecuație echilibrată corect, cu un singur produs: masa nu poate fi creată, astfel că masa produsului nu poate depăși niciodată masa combinată a reactanților din care a fost obținut. Dacă în urma unui calcul rezultă o valoare mai mare de 100 %, ecuația introdusă nu este echilibrată corect.

Scrierea aceleiași reacții fără echilibrare, ca H₂ + O₂ → H₂O, nu descrie o reacție reală și dă un număr diferit, lipsit de sens: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96 %. De aceea, ecuația trebuie echilibrată mai întâi.

Exemplu rezolvat: sinteza aspirinei

Aspirina se obține din acid salicilic și anhidridă acetică:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• acid salicilic (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• anhidridă acetică (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• masa totală a reactanților: 240,21 g/mol
• aspirină (C₉H₈O₄, produsul dorit): 180,16 g/mol

Economia atomică $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

Restul de 25 % din masă părăsește reacția sub formă de acid acetic, un coprodus. În producția industrială, acest acid acetic este recuperat și reutilizat în mod obișnuit, ceea ce contribuie la compensarea pierderii.

Interpretarea rezultatului

• 90–100%: majoritatea atomilor reactanților ajung în produs. Este caracteristic reacțiilor de adiție, în care nu rămâne nimic neutilizat.
• 70–90%: eficiență bună, întâlnită în multe reacții catalitice.
• 50–70%: eficiență moderată. Reacțiile de substituție, care eliberează o grupă plecătoare sub formă de deșeu, se încadrează adesea în acest interval.
• Sub 50 %: cea mai mare parte a masei reactanților devine deșeu, nu produs.

Aceste intervale sunt doar orientative. Un intermediar farmaceutic complex, pentru care nu există o rută mai puțin poluantă, ar putea fi considerat acceptabil la 65 %, în timp ce un produs chimic de bază simplu, pentru care există alternative mai ieftine, nu ar fi.

Ce nu măsoară economia atomică

Economia atomică ia în calcul doar reactanții și produsul înscrise în ecuația echilibrată. Ea exclude solvenții, catalizatorii și energia necesară desfășurării reacției. O reacție poate avea o economie atomică ridicată și totuși să utilizeze o cantitate mare de solvent sau să necesite temperaturi ori presiuni extreme. Pentru o evaluare mai completă, chimiștii combină economia atomică cu alți indicatori, precum factorul E (masa deșeurilor împărțită la masa produsului) și intensitatea masică a procesului (masa totală utilizată împărțită la masa produsului).

Istoria economiei atomice

Barry M. Trost, chimist la acea vreme la Universitatea din Wisconsin și ulterior la Universitatea Stanford, a introdus conceptul de economie atomică într-un articol publicat în 1991 în revista Science, „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency”. Înainte de aceasta, chimiștii evaluau în principal o reacție după randamentul ei: cât de apropiată era cantitatea de produs obținută de maximul teoretic. Ideea lui Trost a adăugat o întrebare diferită. Chiar și la un randament ridicat, cât din masa reactanților ajunge sub formă de coproduse în loc să ajungă în produs?

În 1998, economia atomică a devenit al doilea dintre cele Douăsprezece principii ale chimiei verzi, formulate de Paul Anastas și John Warner în cartea lor Green Chemistry: Theory and Practice. De atunci, a devenit un indicator standard predat în cursurile de chimie și raportat în numeroase lucrări de cercetare despre noi metode de sinteză.

Întrebări frecvente

Ce este economia atomică?

Economia atomică este procentul din masa reactanților unei reacții chimice care ajunge în produsul dorit. Se determină împărțind masa moleculară a produsului la masa moleculară totală a reactanților, apoi înmulțind cu 100.

Prin ce diferă economia atomică de randament?

Randamentul măsoară cantitatea de produs obținută efectiv de o reacție în comparație cu maximul teoretic, ținând cont de cantitatea de materie primă utilizată. Economia atomică măsoară altceva: cât din masa reactanților ar putea ajunge vreodată în produs, pe baza exclusivă a chimiei reacției. O reacție poate avea simultan un randament ridicat și o economie atomică scăzută, dacă produce o cantitate mare de coproduse în paralel cu produsul.

Poate economia atomică fi de 100 %?

Da. Reacțiile de adiție, în care moleculele reactanților se combină fără să elibereze vreun coprodus, ating o economie atomică de 100 %. Și reacțiile de transpoziție, care reorganizează atomii în interiorul unei molecule, pot atinge 100 %. O reacție cu o economie atomică de 100 % poate fi totuși o alegere generală slabă dacă randamentul este scăzut sau reactanții sunt periculoși.

Economia atomică include solvenții și catalizatorii?

Nu. Catalizatorii nu se consumă în timpul reacției, astfel că nu sunt considerați reactanți. De obicei, nici solvenții nu sunt incluși, cu excepția cazului în care o parte a solventului se încorporează în produs. Prin urmare, o reacție poate indica o economie atomică ridicată și totuși să utilizeze volume mari de solvent.

Ce valoare este considerată bună pentru economia atomică?

O valoare de peste 90 % este considerată excelentă, 70–90% este bună, iar o valoare sub 50 % sugerează că cea mai mare parte a masei reactanților este irosită. Ceea ce este acceptabil depinde de reacție: un produs complex, pentru care nu există o rută mai bună, poate justifica o economie atomică mai mică decât în cazul unei substanțe chimice simple, produse în volume mari.

Cum sunt utilizați coeficienții dintr-o ecuație echilibrată în calcul?

Fiecare reactant și produsul trebuie să folosească coeficienții din ecuația echilibrată. Pentru 2H₂ + O₂ → 2H₂O, masa reactanților se calculează folosind 2 × (masa lui H₂) plus 1 × (masa lui O₂), iar masa produsului folosește 2 × (masa lui H₂O). Omiterea coeficienților sau utilizarea unei ecuații dezechilibrate dă un număr care nu descrie reacția reală.

Referințe

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.