Рассчитайте атомную экономику, чтобы измерить, насколько эффективно атомы реагентов становятся частью вашего желаемого продукта в химических реакциях. Необходимо для зеленой химии, устойчивого синтеза и оптимизации реакций.
Для сбалансированных реакций вы можете включить коэффициенты в свои формулы:
Введите действительные химические формулы, чтобы увидеть визуализацию
Атомная экономика — это основополагающее понятие в зеленой химии, которое измеряет, насколько эффективно атомы из реагентов включаются в желаемый продукт в химической реакции. Разработанная профессором Барри Тростом в 1991 году, атомная экономика представляет собой процент атомов из исходных материалов, которые становятся частью полезного продукта, что делает ее важным показателем для оценки устойчивости и эффективности химических процессов. В отличие от традиционных расчетов выхода, которые учитывают только количество полученного продукта, атомная экономика сосредотачивается на эффективности на атомном уровне, подчеркивая реакции, которые тратят меньше атомов и генерируют меньше побочных продуктов.
Калькулятор атомной экономики позволяет химикам, студентам и исследователям быстро определить атомную экономику любой химической реакции, просто введя химические формулы реагентов и желаемого продукта. Этот инструмент помогает выявлять более экологически чистые синтетические пути, оптимизировать эффективность реакции и уменьшать образование отходов в химических процессах — ключевые принципы устойчивой химии.
Атомная экономика рассчитывается по следующей формуле:
Этот процент представляет собой то, сколько атомов из ваших исходных материалов оказывается в целевом продукте, а не тратится впустую в виде побочных продуктов. Более высокая атомная экономика указывает на более эффективную и экологически чистую реакцию.
Атомная экономика предлагает несколько преимуществ по сравнению с традиционными измерениями выхода:
Чтобы рассчитать атомную экономику, вам нужно:
Для реакции: A + B → C + D (где C — желаемый продукт)
Введите формулу продукта:
Добавьте формулы реагентов:
Обработайте сбалансированные уравнения:
Рассчитайте результаты:
Калькулятор предоставляет три ключевых показателя:
Атомная экономика (%): процент атомов из реагентов, которые оказываются в желаемом продукте
Молекулярная масса продукта: вычисленная молекулярная масса вашего желаемого продукта
Общая молекулярная масса реагентов: сумма молекулярных масс всех реагентов
Калькулятор также предоставляет визуальное представление атомной экономики, что облегчает понимание эффективности вашей реакции на первый взгляд.
Атомная экономика широко используется в химической и фармацевтической промышленности для:
Разработки процессов: оценки и сравнения различных синтетических маршрутов для выбора наиболее атомно-эффективного пути
Зеленого производства: разработки более устойчивых производственных процессов, которые минимизируют образование отходов
Снижения затрат: выявления реакций, которые более эффективно используют дорогие исходные материалы
Соблюдения нормативных требований: соответствия все более строгим экологическим нормам за счет сокращения отходов
Обучение зеленой химии: демонстрация принципов устойчивой химии студентам
Планирование исследований: помощь исследователям в разработке более эффективных синтетических маршрутов
Требования публикаций: многие журналы теперь требуют расчеты атомной экономики для новых синтетических методов
Упражнения для студентов: обучение студентов химии оценивать эффективность реакции за пределами традиционного выхода
Синтез аспирина:
Реакция Хекка (паллидий-катализируемое соединение):
Click Chemistry (медленно-катализируемое соединение азидов и алкинов):
Хотя атомная экономика является ценным показателем, другие дополнительные меры включают:
E-Factor (экологический фактор):
Эффективность реакции по массе (RME):
Интенсивность массы процесса (PMI):
Углеродная эффективность:
Концепция атомной экономики была введена профессором Барри М. Тростом из Стэнфордского университета в 1991 году в его знаковой статье "Атомная экономика — поиск синтетической эффективности", опубликованной в журнале Science. Трост предложил атомную экономику как основополагающий показатель для оценки эффективности химических реакций на атомном уровне, сместив акцент с традиционных измерений выхода.
Атомная экономика кардинально изменила подход химиков к проектированию реакций, сместив акцент с максимизации выхода на минимизацию отходов на молекулярном уровне. Этот парадигмальный сдвиг привел к разработке множества "атомно-экономичных" реакций, включая:
1' Формула Excel для расчета атомной экономики
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' Пример с конкретными значениями
5' Для H2 + O2 → H2O
6' ММ H2 = 2.016, ММ O2 = 31.998, ММ H2O = 18.015
7=(18.015/(2.016+31.998))*100
8' Результат: 52.96%
91def calculate_atom_economy(product_formula, reactant_formulas):
2 """
3 Рассчитать атомную экономику для химической реакции.
4
5 Аргументы:
6 product_formula (str): Химическая формула желаемого продукта
7 reactant_formulas (list): Список химических формул реагентов
8
9 Возвращает:
10 dict: Словарь, содержащий процент атомной экономики, массу продукта и массу реагентов
11 """
12 # Словарь атомных масс
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 # Добавьте больше элементов по мере необходимости
17 }
18
19 def parse_formula(formula):
20 """Разобрать химическую формулу и рассчитать молекулярную массу."""
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"Неизвестный элемент: {element}")
32
33 return weight
34
35 # Рассчитать молекулярные массы
36 product_weight = parse_formula(product_formula)
37
38 reactants_weight = 0
39 for reactant in reactant_formulas:
40 if reactant: # Пропустить пустые реагенты
41 reactants_weight += parse_formula(reactant)
42
43 # Рассчитать атомную экономику
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# Пример использования
53product = "H2O"
54reactants = ["H2", "O2"]
55result = calculate_atom_economy(product, reactants)
56print(f"Атомная экономика: {result['atom_economy']}%")
57print(f"Масса продукта: {result['product_weight']}")
58print(f"Масса реагентов: {result['reactants_weight']}")
591function calculateAtomEconomy(productFormula, reactantFormulas) {
2 // Атомные массы общих элементов
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 // Добавьте больше элементов по мере необходимости
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(`Неизвестный элемент: ${element}`);
24 }
25 }
26
27 return weight;
28 }
29
30 // Рассчитать молекулярные массы
31 const productWeight = parseFormula(productFormula);
32
33 let reactantsWeight = 0;
34 for (const reactant of reactantFormulas) {
35 if (reactant.trim()) { // Пропустить пустые реагенты
36 reactantsWeight += parseFormula(reactant);
37 }
38 }
39
40 // Рассчитать атомную экономику
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// Пример использования
51const product = "C9H8O4"; // Аспирин
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // Салициловая кислота и уксусный ангидрид
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`Атомная экономика: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`Масса продукта: ${result.productWeight}`);
56console.log(`Масса реагентов: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # Атомные массы общих элементов
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # Разобрать химическую формулу с помощью регулярных выражений
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # Извлечь символ элемента и количество
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count
26 } else {
27 stop(paste("Неизвестный элемент:", element))
28 }
29 }
30
31 return(weight)
32 }
33
34 # Рассчитать молекулярные массы
35 product_weight <- parse_formula(product_formula)
36
37 reactants_weight <- 0
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # Пропустить пустые реагенты
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant)
41 }
42 }
43
44 # Рассчитать атомную экономику
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ))
52}
53
54# Пример использования
55product <- "CH3CH2OH" # Этанол
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # Этилен и вода
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants)
58cat(sprintf("Атомная экономика: %.2f%%\n", result$atom_economy))
59cat(sprintf("Масса продукта: %.4f\n", result$product_weight))
60cat(sprintf("Масса реагентов: %.4f\n", result$reactants_weight))
61Атомная экономика — это мера того, насколько эффективно атомы из реагентов включаются в желаемый продукт в химической реакции. Она рассчитывается путем деления молекулярной массы желаемого продукта на общую молекулярную массу всех реагентов и умножения на 100, чтобы получить процент. Более высокие проценты указывают на более эффективные реакции с меньшими отходами.
Выход реакции измеряет, сколько продукта фактически получено по сравнению с теоретическим максимумом на основе лимитирующего реагента. Атомная экономика, однако, измеряет теоретическую эффективность проектирования реакции на атомном уровне, независимо от того, насколько хорошо реакция работает на практике. Реакция может иметь высокий выход, но низкую атомную экономику, если она генерирует значительные побочные продукты.
Атомная экономика является основополагающим принципом зеленой химии, потому что она помогает химикам разрабатывать реакции, которые изначально производят меньше отходов, включая больше атомов из реагентов в желаемый продукт. Это приводит к более устойчивым процессам, снижению воздействия на окружающую среду и часто к более низким производственным затратам.
Да, реакция может иметь 100% атомную экономику, если все атомы из реагентов оказываются в желаемом продукте. Примеры включают реакции присоединения (например, гидрирование), циклоаддиции (например, реакции Дильса-Альдера) и перестановочные реакции, где не теряются атомы в виде побочных продуктов.
Обычно в расчеты атомной экономики не включаются растворители или катализаторы, если они не становятся частью конечного продукта. Это связано с тем, что катализаторы восстанавливаются в реакционном цикле, а растворители обычно восстанавливаются или отделяются от продукта. Однако более комплексные показатели зеленой химии, такие как E-фактор, учитывают эти дополнительные материалы.
Чтобы улучшить атомную экономику:
Хотя более высокая атомная экономика обычно желательна, она не должна быть единственным критерием при оценке реакции. Другие факторы, такие как безопасность, энергетические требования, выход реакции и токсичность реагентов и побочных продуктов, также важны. Иногда реакция с более низкой атомной экономикой может быть предпочтительнее, если у нее есть другие значительные преимущества.
Для реакций с несколькими желаемыми продуктами вы можете либо:
Подход зависит от ваших конкретных целей анализа.
Да, расчеты атомной экономики должны использовать правильно сбалансированные химические уравнения, которые отражают правильную стехиометрию реакции. Коэффициенты в сбалансированном уравнении влияют на относительные количества реагентов и, следовательно, на общую молекулярную массу реагентов, используемую в расчете.
Расчеты атомной экономики могут быть очень точными при использовании точных атомных масс и правильно сбалансированных уравнений. Однако они представляют собой теоретическую максимальную эффективность и не учитывают практические проблемы, такие как неполные реакции, побочные реакции или потери при очистке, которые влияют на реальные процессы.
Trost, B. M. (1991). Атомная экономика — поиск синтетической эффективности. Science, 254(5037), 1471-1477. https://doi.org/10.1126/science.1962206
Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Зеленая химия: теория и практика. Oxford University Press.
Sheldon, R. A. (2017). E-фактор 25 лет спустя: рост зеленой химии и устойчивости. Green Chemistry, 19(1), 18-43. https://doi.org/10.1039/C6GC02157C
Dicks, A. P., & Hent, A. (2015). Метрики зеленой химии: руководство по определению и оценке зелености процессов. Springer.
Американское химическое общество. (2023). Зеленая химия. Получено с https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry.html
Constable, D. J., Curzons, A. D., & Cunningham, V. L. (2002). Метрики для "зеленой" химии — какие из них лучшие? Green Chemistry, 4(6), 521-527. https://doi.org/10.1039/B206169B
Andraos, J. (2012). Алгебра органического синтеза: зеленые метрики, стратегия проектирования, выбор маршрута и оптимизация. CRC Press.
EPA. (2023). Зеленая химия. Получено с https://www.epa.gov/greenchemistry
Калькулятор атомной экономики предоставляет мощный инструмент для оценки эффективности и устойчивости химических реакций на атомном уровне. Сосредоточив внимание на том, насколько эффективно атомы из реагентов включаются в желаемые продукты, химики могут разрабатывать более экологически чистые процессы, которые минимизируют образование отходов.
Будь вы студентом, изучающим принципы зеленой химии, исследователем, разрабатывающим новые синтетические методы, или промышленным химиком, оптимизирующим производственные процессы, понимание и применение атомной экономики может привести к более устойчивым химическим практикам. Калькулятор делает этот анализ доступным и простым, помогая продвигать цели зеленой химии в различных областях.
Включив соображения атомной экономики в проектирование и выбор реакции, мы можем работать над тем, чтобы будущее химических процессов было не только высокоэффективным и экономически выгодным, но и экологически ответственным и устойчивым.
Попробуйте калькулятор атомной экономики сегодня, чтобы проанализировать ваши химические реакции и обнаружить возможности для более экологически чистой химии!
Откройте больше инструментов, которые могут быть полезны для вашего рабочего процесса