Kalkulačka atómovej ekonomiky - Efektivita chemickej reakcie

Čo je kalkulačka atómovej ekonomiky?

Kalkulačka atómovej ekonomiky vypočíta, aká časť hmotnosti východiskových látok chemickej reakcie skončí v požadovanom produkte namiesto vo vedľajších odpadových produktoch. Porovnáva molárnu hmotnosť produktu s celkovou molárnou hmotnosťou reaktantov podľa vyčíslených chemických rovníc. Výsledkom je percentuálna hodnota: atómová ekonomika.

Vzorec atómovej ekonomiky

Atómová ekonomika sa vypočíta takto:

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

kde A je atómová ekonomika v percentách, $M_p$ je molárna hmotnosť požadovaného produktu a $M_r$ je celková molárna hmotnosť všetkých reaktantov.

Vo vzorci sa používajú stechiometrické koeficienty z vyčíslenej rovnice. Molárna hmotnosť každého reaktantu sa pred sčítaním hmotností vynásobí jeho koeficientom a molárna hmotnosť produktu sa vynásobí jeho vlastným koeficientom.

Atómovú ekonomiku zaviedol chemik Barry M. Trost v roku 1991 ako spôsob hodnotenia efektívnosti návrhu reakcie, oddelene od toho, ako dobre reakcia prebieha v praxi.

Ako vypočítať atómovú ekonomiku

1. Zapíšte vyčíslenú chemickú rovnicu reakcie.
2. Zistite molárnu hmotnosť požadovaného produktu s použitím jeho koeficientu z rovnice.
3. Sčítajte molárne hmotnosti všetkých reaktantov, pričom každú vynásobte jej koeficientom.
4. Vydeľte hmotnosť produktu celkovou hmotnosťou reaktantov a potom výsledok vynásobte číslom 100.

Koeficienty sa zapisujú pred vzorec tak, ako sa objavujú v rovnici: 2H2O predstavuje dve vzorcové jednotky vody. Vzorec zadaný bez koeficientu opisuje inú, nevyčíslenú rovnicu a poskytuje inú odpoveď.

Katalyzátory a rozpúšťadlá sa do tohto výpočtu nezahŕňajú. Katalyzátor napomáha priebehu reakcie, ale nespotrebúva sa, preto sa nepočíta medzi reaktanty. Rozpúšťadlá sa zvyčajne tiež nestávajú súčasťou produktu.

Vyriešený príklad: vodík a kyslík

Uvažujme vyčíslenú rovnicu prípravy vody:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Pri použití relatívnych atómových hmotností H = 1,008 a O = 15,999, pričom všetky hmotnosti sú v gramoch na mól (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• celková hmotnosť reaktantov = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

Atómová ekonomika $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Každý atóm v reaktantoch skončí v produkte, takže atómová ekonomika je 100 %. Pri správne vyčíslenej rovnici s jediným produktom sa to očakáva: hmotnosť nemožno vytvoriť, takže hmotnosť produktu nikdy nemôže prekročiť súčet hmotností reaktantov, z ktorých vznikol. Ak výpočet poskytne hodnotu vyššiu ako 100 %, zadaná rovnica nie je správne vyčíslená.

Zapísanie tej istej reakcie bez vyčíslenia, ako H₂ + O₂ → H₂O, neopisuje skutočnú reakciu a poskytne inú, bezvýznamnú hodnotu: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96 %. Preto treba rovnicu najprv vyčísliť.

Vyriešený príklad: syntéza aspirínu

Aspirín sa vyrába z kyseliny salicylovej a anhydridu kyseliny octovej:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• kyselina salicylová (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• anhydrid kyseliny octovej (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• celková hmotnosť reaktantov: 240,21 g/mol
• aspirín (C₉H₈O₄, požadovaný produkt): 180,16 g/mol

Atómová ekonomika $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

Zvyšných 25 % hmotnosti odchádza z reakcie vo forme kyseliny octovej, vedľajšieho produktu. V priemyselnej výrobe sa táto kyselina octová bežne získava späť a opätovne používa, čím sa straty čiastočne kompenzujú.

Vyhodnotenie výsledku

• 90–100%: väčšina atómov reaktantov skončí v produkte. Typické pre adičné reakcie, pri ktorých nič nezostáva.
• 70–90%: dobrá účinnosť, bežná pri mnohých katalytických reakciách.
• 50–70%: stredná účinnosť. Substitučné reakcie, pri ktorých sa ako odpad uvoľňuje odstupujúca skupina, často spadajú do tohto rozsahu.
• Menej ako 50 %: väčšina hmotnosti reaktantov sa premení na odpad, nie na produkt.

Tieto rozsahy sú iba orientačné. Zložitý farmaceutický medziprodukt, pre ktorý nie je dostupná čistejšia syntetická cesta, možno považovať za prijateľný pri 65 %, zatiaľ čo pri jednoduchej veľkoobjemovej chemikálii s lacnejšími alternatívami by to neplatilo.

Čo atómová ekonomika nemeria

Atómová ekonomika zohľadňuje iba reaktanty a produkt uvedené vo vyčíslenej rovnici. Nezahŕňa rozpúšťadlá, katalyzátory ani energiu potrebnú na uskutočnenie reakcie. Reakcia môže mať vysokú atómovú ekonomiku a pritom spotrebovať veľké množstvo rozpúšťadla alebo vyžadovať extrémnu teplotu či tlak. Na úplnejšie posúdenie chemici kombinujú atómovú ekonomiku s ďalšími ukazovateľmi, napríklad faktorom E (hmotnosť odpadu delená hmotnosťou produktu) a intenzitou hmotnosti procesu (celková použitá hmotnosť delená hmotnosťou produktu).

História atómovej ekonomiky

Barry M. Trost, v tom čase chemik na Wisconsinskej univerzite a neskôr na Stanfordovej univerzite, predstavil koncepciu atómovej ekonomiky v článku z roku 1991 v časopise Science s názvom „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency“. Predtým chemici posudzovali reakciu najmä podľa výťažku: podľa toho, ako blízko sa množstvo získaného produktu približovalo teoretickému maximu. Trostova myšlienka pridala inú otázku. Aj pri vysokom výťažku: aká časť hmotnosti reaktantov skončí ako vedľajšie produkty namiesto požadovaného produktu?

V roku 1998 sa atómová ekonomika stala druhým z dvanástich princípov zelenej chémie, ktoré vo svojej knihe Green Chemistry: Theory and Practice stanovili Paul Anastas a John Warner. Odvtedy sa stala štandardným ukazovateľom vyučovaným v kurzoch chémie a uvádzaným v mnohých odborných článkoch o nových syntetických metódach.

Najčastejšie otázky

Čo je atómová ekonomika?

Atómová ekonomika je percentuálny podiel hmotnosti reaktantov v chemickej reakcii, ktorý skončí v požadovanom produkte. Zistí sa vydelením molárnej hmotnosti produktu celkovou molárnou hmotnosťou reaktantov a následným vynásobením číslom 100.

Ako sa atómová ekonomika líši od výťažku?

Výťažok meria, koľko produktu reakcia skutočne vytvorí v porovnaní s teoretickým maximom pri danom množstve použitej východiskovej látky. Atómová ekonomika meria niečo iné: aká časť hmotnosti reaktantov môže vôbec skončiť v produkte na základe samotnej chémie reakcie. Reakcia môže mať súčasne vysoký výťažok a nízku atómovú ekonomiku, ak popri produkte vytvára veľké množstvo vedľajších produktov.

Môže byť atómová ekonomika 100 %?

Áno. Adičné reakcie, pri ktorých sa molekuly reaktantov spájajú bez uvoľnenia vedľajšieho produktu, dosahujú atómovú ekonomiku 100 %. Aj prešmykové reakcie, pri ktorých sa atómy v molekule preskupujú, môžu dosiahnuť 100 %. Reakcia s atómovou ekonomikou 100 % môže byť napriek tomu celkovo nevhodná, ak má nízky výťažok alebo sú jej reaktanty nebezpečné.

Zahŕňa atómová ekonomika rozpúšťadlá a katalyzátory?

Nie. Katalyzátory sa počas reakcie nespotrebúvajú, preto sa nepočítajú medzi reaktanty. Rozpúšťadlá sa zvyčajne tiež nezapočítavajú, pokiaľ sa ich časť nestane súčasťou produktu. Reakcia teda môže vykazovať vysokú atómovú ekonomiku a pritom používať veľké objemy rozpúšťadla.

Aká atómová ekonomika je dobrá?

Hodnota nad 90 % sa považuje za vynikajúcu, 70–90% za dobrú a hodnota pod 50 % naznačuje, že väčšina hmotnosti reaktantov sa premrhá. To, čo je prijateľné, závisí od reakcie: zložitý produkt, pre ktorý nie je dostupná lepšia cesta, môže odôvodniť nižšiu atómovú ekonomiku než jednoduchá chemikália vyrábaná vo veľkom objeme.

Ako sa pri výpočte používajú koeficienty vo vyčíslenej rovnici?

Každý reaktant aj produkt musia používať svoje koeficienty z vyčíslenej rovnice. Pre 2H₂ + O₂ → 2H₂O sa hmotnosť reaktantov vypočíta ako 2 × (hmotnosť H₂) plus 1 × (hmotnosť O₂) a hmotnosť produktu ako 2 × (hmotnosť H₂O). Vynechanie koeficientov alebo použitie nevyčíslenej rovnice poskytne číslo, ktoré neopisuje skutočnú reakciu.

Referencie

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.