Atom Ekonomisi Hesaplayıcısı - Kimyasal Reaksiyon Verimliliği

Atom ekonomisi hesaplayıcı nedir?

Atom ekonomisi hesaplayıcı, bir kimyasal tepkimenin başlangıç maddelerinin kütlesinin ne kadarının atık yan ürünler yerine istenen üründe bulunduğunu hesaplar. Bunu, dengelenmiş kimyasal denklemi kullanarak ürünün molekül kütlesini reaktiflerin toplam molekül kütlesiyle karşılaştırarak yapar. Sonuç yüzde olarak ifade edilir: atom ekonomisi.

Atom ekonomisi formülü

Atom ekonomisi şu şekilde hesaplanır:

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

Burada A yüzde olarak atom ekonomisini, $M_p$ istenen ürünün molekül kütlesini ve $M_r$ tüm reaktiflerin toplam molekül kütlesini belirtir.

Formülde dengelenmiş denklemin katsayıları kullanılır. Toplamlar alınmadan önce her reaktifin molekül kütlesi kendi katsayısıyla çarpılır; ürünün molekül kütlesi de kendi katsayısıyla çarpılır.

Atom ekonomisi, bir tepkime tasarımının pratikte ne kadar iyi sonuç verdiğinden bağımsız olarak verimliliğini değerlendirmek amacıyla kimyager Barry M. Trost tarafından 1991 yılında ortaya atıldı.

Atom ekonomisi nasıl hesaplanır?

1. Tepkime için dengelenmiş kimyasal denklemi yazın.
2. Denklemdeki katsayısını kullanarak istenen ürünün molekül kütlesini bulun.
3. Her birini kendi katsayısıyla çarparak tüm reaktiflerin molekül kütlelerini toplayın.
4. Ürün kütlesini toplam reaktif kütlesine bölün, ardından 100 ile çarpın.

Katsayılar, denklemde göründükleri gibi formülün önüne yazılır: 2H2O, iki formül birimi su demektir. Katsayısı olmadan girilen bir formül, farklı ve dengelenmemiş bir denklemi ifade eder ve farklı bir sonuç verir.

Katalizörler ve çözücüler bu hesaplamaya dahil edilmez. Katalizör tepkimenin gerçekleşmesine yardımcı olur ancak tüketilmez; bu nedenle reaktif olarak sayılmaz. Çözücüler de genellikle ürünün parçası hâline gelmez.

Çözümlü örnek: hidrojen ve oksijen

Su oluşumuna ilişkin dengelenmiş denklemi ele alalım:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Atom ağırlıkları H = 1,008 ve O = 15,999 alınırsa, tüm kütleler mol başına gram (g/mol) cinsindendir:

• 2 H₂ = 2 × 2,016 = 4,032 g/mol
• O₂ = 31,998 g/mol
• toplam reaktif kütlesi = 4,032 + 31,998 = 36,030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18,015 = 36,030 g/mol

Atom ekonomisi $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

Reaktiflerdeki her atom üründe yer alır; dolayısıyla atom ekonomisi %100 olur. Yalnızca tek ürün içeren doğru şekilde dengelenmiş bir denklem için bu beklenen bir sonuçtur: kütle yaratılamayacağından ürünün kütlesi, onu oluşturan reaktiflerin toplam kütlesini aşamaz. Bir hesaplamadan %100 üzerinde bir değer çıkarsa girilen denklem doğru şekilde dengelenmemiştir.

Aynı tepkimenin H₂ + O₂ → H₂O şeklinde dengelenmeden yazılması gerçek bir tepkimeyi ifade etmez ve farklı, anlamsız bir sayı verir: 18,015 ÷ (2,016 + 31,998) × 100 = %52,96. Bu nedenle denklem önce dengelenmelidir.

Çözümlü örnek: aspirin sentezi

Aspirin, salisilik asit ve asetik anhidrtten üretilir:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• salisilik asit (C₇H₆O₃): 138,12 g/mol
• asetik anhidrit (C₄H₆O₃): 102,09 g/mol
• toplam reaktif kütlesi: 240,21 g/mol
• aspirin (C₉H₈O₄, istenen ürün): 180,16 g/mol

Atom ekonomisi $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

Kütlenin kalan %25 kadarı tepkimeden yan ürün olan asetik asit olarak ayrılır. Endüstriyel üretimde bu asetik asit genellikle geri kazanılıp yeniden kullanılır; bu da kaybın etkisini azaltır.

Sonucun değerlendirilmesi

• 90–100%: reaktif atomlarının çoğu üründe yer alır. Geride hiçbir şeyin kalmadığı katılma tepkimeleri için tipiktir.
• 70–90%: iyi verimlilik; birçok katalitik tepkimede yaygındır.
• 50–70%: orta düzey. Ayrılan bir grubu atık olarak açığa çıkaran substitüsyon tepkimeleri çoğunlukla bu aralıkta yer alır.
• %50 altında: reaktif kütlesinin çoğu ürün yerine atığa dönüşür.

Bu aralıklar yalnızca yaklaşık bir kılavuzdur. Daha temiz bir yol bulunmayan karmaşık bir farmasötik ara ürün için %65 kabul edilebilir sayılabilirken, daha ucuz alternatifleri bulunan basit bir temel kimyasal için kabul edilebilir sayılmaz.

Atom ekonomisinin ölçmediği şeyler

Atom ekonomisi yalnızca dengelenmiş denklemde yazılan reaktifleri ve ürünü hesaba katar. Çözücüleri, katalizörleri ve tepkimeyi yürütmek için gereken enerjiyi dışarıda bırakır. Bir tepkimenin atom ekonomisi yüksek olduğu hâlde büyük miktarda çözücü kullanması veya aşırı sıcaklık ya da basınç gerektirmesi mümkündür. Daha kapsamlı bir değerlendirme için kimyagerler atom ekonomisini E-faktörü (atık kütlesinin ürün kütlesine oranı) ve proses kütle yoğunluğu (kullanılan toplam kütlenin ürün kütlesine oranı) gibi diğer ölçütlerle birlikte kullanır.

Atom ekonomisinin tarihi

O dönemde Wisconsin Üniversitesinde, daha sonra Stanford Üniversitesinde görev yapan kimyager Barry M. Trost, atom ekonomisi kavramını Science dergisinde 1991 yılında yayımlanan "The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency" başlıklı makalesinde ortaya koydu. Bundan önce kimyagerler bir tepkimeyi çoğunlukla verimine göre değerlendiriyordu: elde edilen ürün miktarının teorik maksimuma ne kadar yaklaştığına bakılıyordu. Trost'un fikri farklı bir soru ekledi. Verim yüksek olsa bile reaktif kütlesinin ne kadarı ürün yerine yan ürünlere dönüşüyordu?

1998 yılında atom ekonomisi, Paul Anastas ve John Warner'ın Green Chemistry: Theory and Practice kitabında ortaya koyduğu Yeşil Kimyanın On İki İlkesinin ikincisi oldu. O zamandan beri kimya derslerinde öğretilen ve yeni sentetik yöntemlerle ilgili birçok araştırma makalesinde bildirilen standart bir ölçüt hâline geldi.

Sık sorulan sorular

Atom ekonomisi nedir?

Atom ekonomisi, bir kimyasal tepkimede reaktif kütlesinin istenen üründe yer alan yüzdesidir. Ürünün molekül kütlesi reaktiflerin toplam molekül kütlesine bölünür ve ardından 100 ile çarpılır.

Atom ekonomisi verimden nasıl farklıdır?

Verim, kullanılan başlangıç maddesi miktarına göre bir tepkimenin gerçekte ürettiği ürün miktarını teorik maksimumla karşılaştırarak ölçer. Atom ekonomisi ise farklı bir şeyi ölçer: yalnızca tepkimenin kimyasına bağlı olarak reaktif kütlesinin ne kadarının ürün hâline gelebileceğini. Ürünün yanında çok miktarda yan ürün kütlesi oluşuyorsa bir tepkimenin verimi yüksek, atom ekonomisi ise düşük olabilir.

Atom ekonomisi %100 olabilir mi?

Evet. Reaktif moleküllerinin herhangi bir yan ürün açığa çıkarmadan birleştiği katılma tepkimelerinde atom ekonomisi %100 olur. Bir molekül içindeki atomların yeniden düzenlendiği yeniden düzenlenme tepkimeleri de %100 değerine ulaşabilir. Atom ekonomisi %100 olan bir tepkime, verimi düşükse veya reaktifleri tehlikeliyse genel olarak yine de kötü bir seçim olabilir.

Atom ekonomisine çözücüler ve katalizörler dahil midir?

Hayır. Katalizörler tepkime sırasında tüketilmez; bu nedenle reaktif olarak sayılmaz. Çözücüler de genellikle sayılmaz; ancak çözücünün bir bölümü ürüne katılırsa durum değişir. Bu nedenle bir tepkime, büyük hacimlerde çözücü kullanmaya devam ederken yüksek atom ekonomisi gösterebilir.

İyi bir atom ekonomisi nedir?

%90 üzeri mükemmel, 70–90% iyi kabul edilir; %50 altı ise reaktif kütlesinin çoğunun boşa gittiğini gösterir. Kabul edilebilir değer tepkimeye bağlıdır: daha iyi bir yolu bulunmayan karmaşık bir ürün, basit ve yüksek hacimli bir kimyasala kıyasla daha düşük bir atom ekonomisini haklı çıkarabilir.

Dengelenmiş denklemdeki katsayılar hesaplamada nasıl kullanılır?

Her reaktif ve ürün, dengelenmiş denklemdeki katsayısını kullanmalıdır. 2H₂ + O₂ → 2H₂O için reaktif kütlesinde 2 × (H₂ kütlesi) ile 1 × (O₂ kütlesi) toplanır; ürün kütlesinde ise 2 × (H₂O kütlesi) kullanılır. Katsayıların atlanması veya dengelenmemiş bir denklem kullanılması, gerçek tepkimeyi açıklamayan bir sayı verir.

Kaynaklar

1. Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471–1477.
2. Anastas, P. T. ve 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.