Izračunajte atomsko ekonomijo, da izmerite, kako učinkovito atomi iz reagentov postanejo del vašega želenega produkta v kemijskih reakcijah. Ključno za zeleno kemijo, trajnostno sintezo in optimizacijo reakcij.
Za uravnotežene reakcije lahko vključite koeficiente v svoje formule:
Vnesite veljavne kemijske formule za prikaz vizualizacije
Atomska ekonomija je temeljni koncept v zeleni kemiji, ki meri, kako učinkovito so atomi iz reagentov vključeni v želeni produkt v kemijski reakciji. Razvil ga je profesor Barry Trost leta 1991, atomska ekonomija predstavlja odstotek atomov iz začetnih materialov, ki postanejo del uporabnega produkta, kar jo naredi ključno merilo za ocenjevanje trajnosti in učinkovitosti kemijskih procesov. V nasprotju s tradicionalnimi izračuni donosa, ki upoštevajo le količino pridobljenega produkta, atomska ekonomija osredotoča na atomsko raven učinkovitosti, kar poudarja reakcije, ki zapravljajo manj atomov in ustvarjajo manj stranskih produktov.
Kalkulator atomske ekonomije omogoča kemikom, študentom in raziskovalcem, da hitro določijo atomsko ekonomijo katere koli kemijske reakcije, preprosto tako, da vnesejo kemijske formule reagentov in želenega produkta. Ta orodje pomaga identificirati bolj zelene sintetične poti, optimizirati učinkovitost reakcij in zmanjšati nastajanje odpadkov v kemijskih procesih—ključna načela v praksah trajnostne kemije.
Atomska ekonomija se izračuna s pomočjo naslednje formule:
Ta odstotek predstavlja, koliko atomov iz vaših začetnih materialov konča v vašem ciljnem produktu, namesto da bi bili zapravljeni kot stranski produkti. Višja atomska ekonomija kaže na bolj učinkovito in okolju prijazno reakcijo.
Atomska ekonomija ponuja več prednosti pred tradicionalnimi merjenji donosa:
Za izračun atomske ekonomije morate:
Za reakcijo: A + B → C + D (kjer je C želeni produkt)
Vnesite formulo produkta:
Dodajte formule reagentov:
Uravnotežite enačbe:
Izračunajte rezultate:
Kalkulator zagotavlja tri ključne informacije:
Atomska ekonomija (%): Odstotek atomov iz reagentov, ki končajo v želenem produktu
Molekulska teža produkta: Izračunana molekulska teža vašega želenega produkta
Skupna molekulska teža reagentov: Vsota molekulskih tež vseh reagentov
Kalkulator prav tako zagotavlja vizualno predstavitev atomske ekonomije, kar olajša razumevanje učinkovitosti vaše reakcije na prvi pogled.
Atomska ekonomija se široko uporablja v kemijski in farmacevtski industriji za:
Razvoj procesov: Ocenjevanje in primerjava različnih sintetičnih poti za izbiro najbolj atomsko učinkovite poti
Zelena proizvodnja: Oblikovanje bolj trajnostnih proizvodnih procesov, ki minimizirajo nastajanje odpadkov
Zmanjšanje stroškov: Identifikacija reakcij, ki bolj učinkovito izkoriščajo drage začetne materiale
Skladnost z regulativami: Izpolnjevanje vse strožjih okoljskih predpisov z zmanjšanjem odpadkov
Poučevanje zelene kemije: Prikaz trajnostnih kemijskih načel študentom
Načrtovanje raziskav: Pomoč raziskovalcem pri oblikovanju bolj učinkovitih sintetičnih poti
Zahteve za objave: Mnogi časopisi zdaj zahtevajo izračune atomske ekonomije za nove sintetične metode
Študentske vaje: Usposabljanje študentov kemije za ocenjevanje učinkovitosti reakcij, ki presega tradicionalni donos
Sinteza aspirina:
Heckova reakcija (palladijem katalizirana povezava):
Klik kemija (bakrovim katalizirana azidno-alkinski cikloadicija):
Čeprav je atomska ekonomija dragoceno merilo, so druge dopolnilne mere vključujejo:
E-Faktor (okoljski faktor):
Učinkovitost reakcijske mase (RME):
Intenzivnost procesne mase (PMI):
Učinkovitost ogljika:
Koncept atomske ekonomije je predstavil profesor Barry M. Trost na Stanfordu leta 1991 v svojem temeljitem članku "The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency", objavljenem v reviji Science. Trost je predlagal atomsko ekonomijo kot temeljno merilo za ocenjevanje učinkovitosti kemijskih reakcij na atomski ravni, kar je preusmerilo fokus z tradicionalnih meritev donosa.
Atomska ekonomija je temeljito spremenila način, kako kemiki pristopajo k oblikovanju reakcij, preusmerila fokus od maksimiranja donosa k minimiziranju odpadkov na molekularni ravni. Ta sprememba paradigme je pripeljala do razvoja številnih "atomsko ekonomičnih" reakcij, vključno z:
1' Excel formula za izračun atomske ekonomije
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' Primer s specifičnimi vrednostmi
5' Za H2 + O2 → H2O
6' H2 MW = 2.016, O2 MW = 31.998, H2O MW = 18.015
7=(18.015/(2.016+31.998))*100
8' Rezultat: 52.96%
91def calculate_atom_economy(product_formula, reactant_formulas):
2 """
3 Izračunajte atomsko ekonomijo za kemijsko reakcijo.
4
5 Args:
6 product_formula (str): Kemijska formula želenega produkta
7 reactant_formulas (list): Seznam kemijskih formul reagentov
8
9 Returns:
10 dict: Slovar, ki vsebuje odstotek atomske ekonomije, težo produkta in težo reagentov
11 """
12 # Slovar atomskih teže
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 # Dodajte več elementov po potrebi
17 }
18
19 def parse_formula(formula):
20 """Razčleni kemijsko formulo in izračuna molekulsko težo."""
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"Neznan element: {element}")
32
33 return weight
34
35 # Izračunajte molekulske teže
36 product_weight = parse_formula(product_formula)
37
38 reactants_weight = 0
39 for reactant in reactant_formulas:
40 if reactant: # Preskočite prazne reagente
41 reactants_weight += parse_formula(reactant)
42
43 # Izračunajte atomsko ekonomijo
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# Primer uporabe
53product = "H2O"
54reactants = ["H2", "O2"]
55result = calculate_atom_economy(product, reactants)
56print(f"Atomska ekonomija: {result['atom_economy']}%")
57print(f"Molekulska teža produkta: {result['product_weight']}")
58print(f"Skupna molekulska teža reagentov: {result['reactants_weight']}")
591function calculateAtomEconomy(productFormula, reactantFormulas) {
2 // Atomske teže pogostih elementov
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 // Dodajte več elementov po potrebi
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(`Neznan element: ${element}`);
24 }
25 }
26
27 return weight;
28 }
29
30 // Izračunajte molekulske teže
31 const productWeight = parseFormula(productFormula);
32
33 let reactantsWeight = 0;
34 for (const reactant of reactantFormulas) {
35 if (reactant.trim()) { // Preskočite prazne reagente
36 reactantsWeight += parseFormula(reactant);
37 }
38 }
39
40 // Izračunajte atomsko ekonomijo
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// Primer uporabe
51const product = "C9H8O4"; // Aspirin
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // Salicilna kislina in ocetna anhidrid
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`Atomska ekonomija: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`Molekulska teža produkta: ${result.productWeight}`);
56console.log(`Skupna molekulska teža reagentov: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # Atomske teže pogostih elementov
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # Razčleni kemijsko formulo z uporabo regex
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # Izvlečite simbol elementa in število
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count
26 } else {
27 stop(paste("Neznan element:", element))
28 }
29 }
30
31 return(weight)
32 }
33
34 # Izračunajte molekulske teže
35 product_weight <- parse_formula(product_formula)
36
37 reactants_weight <- 0
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # Preskočite prazne reagente
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant)
41 }
42 }
43
44 # Izračunajte atomsko ekonomijo
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ))
52}
53
54# Primer uporabe
55product <- "CH3CH2OH" # Etanol
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # Etilen in voda
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants)
58cat(sprintf("Atomska ekonomija: %.2f%%\n", result$atom_economy))
59cat(sprintf("Molekulska teža produkta: %.4f\n", result$product_weight))
60cat(sprintf("Skupna molekulska teža reagentov: %.4f\n", result$reactants_weight))
61Atomska ekonomija je merilo, kako učinkovito so atomi iz reagentov vključeni v želeni produkt v kemijski reakciji. Izračuna se tako, da se molekulska teža želenega produkta deli s skupno molekulsko težo vseh reagentov in pomnoži s 100, da dobimo odstotek. Višji odstotki kažejo na bolj učinkovite reakcije z manj odpadki.
Donos reakcije meri, koliko produkta je dejansko pridobljenega v primerjavi z teoretično največjo vrednostjo na podlagi omejevalnega reagenta. Atomska ekonomija pa meri teoretično učinkovitost oblikovanja reakcij na atomski ravni, ne glede na to, kako dobro reakcija deluje v praksi. Reakcija ima lahko visok donos, a slabo atomsko ekonomijo, če povzroča znatne stranske produkte.
Atomska ekonomija je temeljno načelo zelene kemije, ker pomaga kemikom oblikovati reakcije, ki inherentno proizvajajo manj odpadkov, saj vključujejo več atomov iz reagentov v želeni produkt. To vodi do bolj trajnostnih procesov, zmanjšanega okoljskega vpliva in pogosto nižjih proizvodnih stroškov.
Da, reakcija lahko ima 100% atomsko ekonomijo, če vsi atomi iz reagentov končajo v želenem produktu. Primeri vključujejo adicijske reakcije (kot je hidrogenacija), cikloadicije (kot so Diels-Alderjeve reakcije) in preureditvene reakcije, kjer ne pride do izgube atomov kot stranskih produktov.
Običajno izračuni atomske ekonomije ne vključujejo topil ali katalizatorjev, razen če postanejo vključeni v končni produkt. To je zato, ker se katalizatorji regenerirajo v ciklu reakcije, topila pa se običajno obnovijo ali ločijo od produkta. Vendar pa bolj celovite metrike zelene kemije, kot je E-faktor, upoštevajo te dodatne materiale.
Za izboljšanje atomske ekonomije:
Čeprav je višja atomska ekonomija na splošno zaželena, ne bi smela biti edina obravnavana točka pri ocenjevanju reakcije. Druge dejavnike, kot so varnost, energetske zahteve, donos reakcije in toksičnost reagentov in stranskih produktov, so prav tako pomembni. Včasih je lahko reakcija z nižjo atomsko ekonomijo boljša, če ima druge pomembne prednosti.
Za reakcije z več želenimi produkti lahko:
Pristop je odvisen od vaših specifičnih ciljev analize.
Da, izračuni atomske ekonomije morajo uporabljati pravilno uravnotežene kemijske enačbe, ki odražajo pravilno stohiometrijo reakcije. Koeficienti v uravnoteženi enačbi vplivajo na relativne količine reagentov in tako na skupno molekulsko težo reagentov, uporabljeno v izračunu.
Izračuni atomske ekonomije so lahko zelo natančni, ko se uporabljajo natančne atomske teže in pravilno uravnotežene enačbe. Vendar predstavljajo teoretično maksimalno učinkovitost in ne upoštevajo praktičnih težav, kot so nepopolne reakcije, stranske reakcije ali izgube pri čiščenju, ki vplivajo na resnične procese.
Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471-1477. https://doi.org/10.1126/science.1962206
Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Zelena kemija: Teorija in praksa. Oxford University Press.
Sheldon, R. A. (2017). E faktor 25 let pozneje: vzpon zelene kemije in trajnosti. Zelena kemija, 19(1), 18-43. https://doi.org/10.1039/C6GC02157C
Dicks, A. P., & Hent, A. (2015). Metrike zelene kemije: Vodnik za določanje in ocenjevanje trajnosti procesov. Springer.
Ameriška kemijska družba. (2023). Zelena kemija. Pridobljeno iz https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry.html
Constable, D. J., Curzons, A. D., & Cunningham, V. L. (2002). Metrike za "zeleno" kemijo—katera so najboljše? Zelena kemija, 4(6), 521-527. https://doi.org/10.1039/B206169B
Andraos, J. (2012). Algebra organskih sintez: zelene metrike, strategija oblikovanja, izbira poti in optimizacija. CRC Press.
EPA. (2023). Zelena kemija. Pridobljeno iz https://www.epa.gov/greenchemistry
Kalkulator atomske ekonomije zagotavlja močno orodje za ocenjevanje učinkovitosti in trajnosti kemijskih reakcij na atomski ravni. Z osredotočanjem na to, kako učinkovito so atomi iz reagentov vključeni v želeni produkt, lahko kemiki oblikujejo bolj zelene procese, ki minimizirajo nastajanje odpadkov.
Ne glede na to, ali ste študent, ki se uči o načelih zelene kemije, raziskovalec, ki razvija nove sintetične metode, ali industrijski kemik, ki optimizira proizvodne procese, razumevanje in uporaba atomske ekonomije lahko privede do bolj trajnostnih kemijskih praks. Kalkulator to analizo naredi dostopno in preprosto, kar pomaga napredovati ciljem zelene kemije v različnih področjih.
Z vključevanjem razmislekov o atomski ekonomiji v oblikovanje in izbiro reakcij lahko delamo proti prihodnosti, kjer so kemijski procesi ne le visoko donosni in stroškovno učinkoviti, temveč tudi okolju prijazni in trajnostni.
Preizkusite kalkulator atomske ekonomije danes, da analizirate svoje kemijske reakcije in odkrijete priložnosti za bolj zeleno kemijo!
Odkrijte več orodij, ki bi lahko bila koristna za vaš delovni proces