Калкулатор економије атома - Ефикасност хемијске реакције

Шта је калкулатор атомске економичности?

Калкулатор атомске економичности израчунава колики део масе полазних материјала хемијске реакције завршава у жељеном производу, а не у отпадним нуспроизводима. То чини упоређивањем молекулске масе производа са укупном молекулском масом реактаната, уз коришћење изједначене хемијске једначине. Резултат је проценат: атомска економичност.

Формула за атомску економичност

Атомска економичност се израчунава овако:

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

где је A атомска економичност изражена у процентима, $M_p$ молекулска маса жељеног производа, а $M_r$ укупна молекулска маса свих реактаната.

У формули се користе коефицијенти из изједначене једначине. Молекулска маса сваког реактанта множи се његовим коефицијентом пре сабирања маса, а молекулска маса производа множи се његовим коефицијентом.

Атомску економичност увео је хемичар Бари М. Трост 1991. Она служи за процену ефикасности начина на који је реакција осмишљена, независно од тога колико се добро реакција одвија у пракси.

Како се израчунава атомска економичност

1. Напишите изједначену хемијску једначину реакције.
2. Пронађите молекулску масу жељеног производа, користећи његов коефицијент из једначине.
3. Саберите молекулске масе свих реактаната, при чему се свака множи својим коефицијентом.
4. Поделите масу производа са укупном масом реактаната, а затим помножите са 100.

Коефицијенти се пишу испред формуле, онако како се појављују у једначини: 2H2O представља две формулске јединице воде. Формула унета без коефицијента описује другу, неизједначену једначину и даје другачији резултат.

Катализатори и растварачи изостављају се из овог израчунавања. Катализатор помаже да се реакција одвија, али се не троши, па се не рачуна као реактант. Растварачи обично такође не постају део производа.

Пример израчунавања: водоник и кисеоник

Размотримо изједначену једначину за добијање воде:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Уз атомске масе H = 1,008 и O = 15,999, при чему су све масе изражене у грамима по молу (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• укупна маса реактаната = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

Атомска економичност $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Сваки атом из реактаната завршава у производу, па атомска економичност износи 100%. То се очекује код правилно изједначене једначине са само једним производом: маса се не може створити, па маса производа никада не може премашити збирну масу реактаната од којих је настао. Ако се израчуна вредност већа од 100%, унета једначина није правилно изједначена.

Писање исте реакције без изједначавања, као H₂ + O₂ → H₂O, не описује стварну реакцију и даје другачији, бесмислен број: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = 52,96%. Зато се једначина најпре мора изједначити.

Пример израчунавања: синтеза аспирина

Аспирин се добија од салицилне киселине и анхидрида сирћетне киселине:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• салицилна киселина (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• анхидрид сирћетне киселине (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• укупна маса реактаната: 240,21 g/mol
• аспирин (C₉H₈O₄, жељени производ): 180,16 g/mol

Атомска економичност $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

Преосталих 25% масе напушта реакцију у облику сирћетне киселине, нуспроизвода. У индустријској производњи та сирћетна киселина се обично издваја и поново користи, чиме се делимично надокнађује губитак.

Тумачење резултата

• 90–100%: већина атома реактаната завршава у производу. То је типично за реакције адиције, код којих ништа не преостаје.
• 70–90%: добра ефикасност, уобичајена код многих каталитичких реакција.
• 50–70%: умерена ефикасност. Реакције супституције, при којима се одлазећа група издваја као отпад, често су у овом опсегу.
• Мање од 50%: већина масе реактаната постаје отпад, а не производ.

Ови опсези су само оквирни водич. Сложени фармацеутски интермедијер за који не постоји чистији поступак може се сматрати прихватљивим при 65%, док то не би важило за једноставну хемикалију која се производи у великим количинама и има јефтиније алтернативе.

Шта атомска економичност не мери

Атомска економичност обухвата само реактанте и производ записане у изједначеној једначини. Не обухвата раствараче, катализаторе ни енергију потребну за извођење реакције. Реакција може имати високу атомску економичност, а ипак користити велику количину растварача или захтевати изузетно високу температуру или притисак. За потпунију слику хемичари комбинују атомску економичност са другим мерилима, као што су E-фактор (маса отпада подељена масом производа) и масени интензитет процеса (укупна употребљена маса подељена масом производа).

Историја атомске економичности

Бари М. Трост, хемичар који је тада радио на Универзитету Висконсин, а касније на Универзитету Станфорд, увео је појам атомске економичности у раду из 1991, објављеном у часопису Science, под насловом „The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency“. Пре тога су хемичари реакцију углавном оцењивали према приносу: колико се добијена количина производа приближава теоријском максимуму. Тростова идеја увела је друго питање. Чак и при високом приносу, колики део масе реактаната завршава као нуспроизвод уместо у производу?

Године 1998 атомска економичност постала је други од Дванаест принципа зелене хемије, које су у књизи Green Chemistry: Theory and Practice изложили Пол Анастас и Џон Ворнер. Од тада је постала стандардно мерило које се изучава на курсевима хемије и наводи у многим научним радовима о новим синтетичким методама.

Најчешће постављана питања

Шта је атомска економичност?

Атомска економичност је проценат масе реактаната у хемијској реакцији који завршава у жељеном производу. Добија се дељењем молекулске масе производа укупном молекулском масом реактаната, а затим множењем са 100.

По чему се атомска економичност разликује од приноса?

Принос мери колику количину производа реакција стварно даје у поређењу са теоријским максимумом, за дату количину употребљеног полазног материјала. Атомска економичност мери нешто друго: колики део масе реактаната уопште може завршити у производу, на основу саме хемије реакције. Реакција истовремено може имати висок принос и ниску атомску економичност ако уз производ ствара велику количину нуспроизвода.

Може ли атомска економичност бити 100%?

Да. Реакције адиције, у којима се молекули реактаната спајају без ослобађања нуспроизвода, достижу атомску економичност од 100%. Реакције преуређивања, које преуређују атоме унутар молекула, такође могу достићи 100%. Реакција са атомском економичношћу од 100% ипак може бити лош избор у целини ако је њен принос низак или су реактанти опасни.

Да ли атомска економичност обухвата раствараче и катализаторе?

Не. Катализатори се не троше током реакције, па се не рачунају као реактанти. Растварачи се обично такође не рачунају, осим ако се део растварача не угради у производ. То значи да реакција може показивати високу атомску економичност, а ипак користити велике запремине растварача.

Која је добра атомска економичност?

Вредност изнад 90% сматра се изврсном, 70–90% добром, а вредност испод 50% указује на то да се већина масе реактаната расипа. Шта се сматра прихватљивим зависи од реакције: сложени производ за који не постоји бољи поступак може оправдати нижу атомску економичност од једноставне хемикалије која се производи у великим количинама.

Како се коефицијенти у изједначеној једначини користе у израчунавању?

Сваки реактант и производ морају користити своје коефицијенте из изједначене једначине. За 2H₂ + O₂ → 2H₂O, маса реактаната користи 2 × (маса H₂) плус 1 × (маса O₂), а маса производа користи 2 × (маса H₂O). Изостављање коефицијената или коришћење неизједначене једначине даје број који не описује стварну реакцију.

Литература

1. Трост, Б. М. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471–1477.
2. Анастас, П. Т. и Ворнер, Џ. К. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press.
3. Шелдон, Р. А. (2017). The E factor 25 years on: the rise of green chemistry and sustainability. Green Chemistry, 19(1), 18–43.