Розрахуйте атомну економіку, щоб виміряти, наскільки ефективно атоми з реагентів стають частиною вашого бажаного продукту в хімічних реакціях. Це важливо для зеленої хімії, сталого синтезу та оптимізації реакцій.
Для збалансованих реакцій ви можете включити коефіцієнти у свої формули:
Введіть дійсні хімічні формули, щоб побачити візуалізацію
Атомна економіка — це основна концепція зеленої хімії, яка вимірює, наскільки ефективно атоми з реагентів входять у бажаний продукт у хімічній реакції. Розроблена професором Баррі Тростом у 1991 році, атомна економіка представляє собою відсоток атомів з початкових матеріалів, які стають частиною корисного продукту, що робить її важливим показником для оцінки сталості та ефективності хімічних процесів. На відміну від традиційних розрахунків виходу, які враховують лише кількість отриманого продукту, атомна економіка зосереджується на ефективності на атомному рівні, підкреслюючи реакції, які витрачають менше атомів і генерують менше побічних продуктів.
Калькулятор атомної економіки дозволяє хімікам, студентам та дослідникам швидко визначити атомну економіку будь-якої хімічної реакції, просто ввівши хімічні формули реагентів і бажаного продукту. Цей інструмент допомагає виявити більш екологічні синтетичні маршрути, оптимізувати ефективність реакцій і зменшити утворення відходів у хімічних процесах — ключові принципи практик сталого хімічного виробництва.
Атомна економіка розраховується за наступною формулою:
Цей відсоток представляє, скільки атомів з ваших початкових матеріалів потрапляє у ваш цільовий продукт, а не витрачається як побічні продукти. Вища атомна економіка вказує на більш ефективну та екологічну реакцію.
Атомна економіка має кілька переваг у порівнянні з традиційними вимірюваннями виходу:
Щоб розрахувати атомну економіку, потрібно:
Для реакції: A + B → C + D (де C є бажаним продуктом)
Введіть формулу продукту:
Додайте формули реагентів:
Обробка збалансованих рівнянь:
Розрахунок результатів:
Калькулятор надає три ключові показники:
Атомна економіка (%): Відсоток атомів з реагентів, які потрапляють у бажаний продукт
Молярна маса продукту: Обчислена молярна маса вашого бажаного продукту
Загальна молярна маса реагентів: Сума молярних мас усіх реагентів
Калькулятор також надає візуальне представлення атомної економіки, що полегшує розуміння ефективності вашої реакції на перший погляд.
Атомна економіка широко використовується в хімічній та фармацевтичній промисловостях для:
Розробки процесів: Оцінка та порівняння різних синтетичних маршрутів для вибору найбільш атомно-ефективного шляху
Зеленого виробництва: Проектування більш сталих виробничих процесів, які мінімізують утворення відходів
Зниження витрат: Виявлення реакцій, які ефективніше використовують дорогі початкові матеріали
Відповідності нормативам: Відповідність все більш суворим екологічним нормам шляхом зменшення відходів
Викладання зеленої хімії: Демонстрація принципів сталого хімічного виробництва студентам
Планування досліджень: Допомога дослідникам у проектуванні більш ефективних синтетичних маршрутів
Вимоги до публікацій: Багато журналів тепер вимагають розрахунків атомної економіки для нових синтетичних методів
Завдання для студентів: Навчання студентів хімії оцінювати ефективність реакцій, виходячи за межі традиційного виходу
Синтез аспірину:
Реакція Хека (платиново-каталізована сполука):
Click Chemistry (мідно-каталізована циклізація азид-алкіну):
Хоча атомна економіка є цінним показником, інші доповнюючі вимірювання включають:
E-Factor (Екологічний фактор):
Ефективність маси реакції (RME):
Інтенсивність маси процесу (PMI):
Вуглецева ефективність:
Концепція атомної економіки була вперше представлена професором Баррі М. Тростом зі Стенфордського університету в 1991 році в його знаковій статті "Атомна економіка — пошук синтетичної ефективності", опублікованій у журналі Science. Трост запропонував атомну економіку як основний показник для оцінки ефективності хімічних реакцій на атомному рівні, зміщуючи акцент з традиційних вимірювань виходу.
Атомна економіка фундаментально змінила підходи хіміків до проектування реакцій, зміщуючи акцент з максимізації виходу на мінімізацію відходів на молекулярному рівні. Цей парадигмальний зсув призвів до розробки численних "атомно-економічних" реакцій, включаючи:
1' Формула Excel для розрахунку атомної економіки
2=PRODUCT_WEIGHT/(SUM(REACTANT_WEIGHTS))*100
3
4' Приклад з конкретними значеннями
5' Для 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' Результат: 52.96%
91def calculate_atom_economy(product_formula, reactant_formulas):
2 """
3 Розрахувати атомну економіку для хімічної реакції.
4
5 Args:
6 product_formula (str): Хімічна формула бажаного продукту
7 reactant_formulas (list): Список хімічних формул реагентів
8
9 Returns:
10 dict: Словник, що містить відсоток атомної економіки, вагу продукту та вагу реагентів
11 """
12 # Словник атомних мас
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 # Додайте більше елементів за потреби
17 }
18
19 def parse_formula(formula):
20 """Розібрати хімічну формулу та розрахувати молярну масу."""
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"Невідомий елемент: {element}")
32
33 return weight
34
35 # Розрахунок молярних мас
36 product_weight = parse_formula(product_formula)
37
38 reactants_weight = 0
39 for reactant in reactant_formulas:
40 if reactant: # Пропустити порожні реагенти
41 reactants_weight += parse_formula(reactant)
42
43 # Розрахунок атомної економіки
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# Приклад використання
53product = "H2O"
54reactants = ["H2", "O2"]
55result = calculate_atom_economy(product, reactants)
56print(f"Атомна економіка: {result['atom_economy']}%")
57print(f"Вага продукту: {result['product_weight']}")
58print(f"Вага реагентів: {result['reactants_weight']}")
591function calculateAtomEconomy(productFormula, reactantFormulas) {
2 // Атомні маси поширених елементів
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 // Додайте більше елементів за потреби
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(`Невідомий елемент: ${element}`);
24 }
25 }
26
27 return weight;
28 }
29
30 // Розрахунок молярних мас
31 const productWeight = parseFormula(productFormula);
32
33 let reactantsWeight = 0;
34 for (const reactant of reactantFormulas) {
35 if (reactant.trim()) { // Пропустити порожні реагенти
36 reactantsWeight += parseFormula(reactant);
37 }
38 }
39
40 // Розрахунок атомної економіки
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// Приклад використання
51const product = "C9H8O4"; // Аспірин
52const reactants = ["C7H6O3", "C4H6O3"]; // Саліцилова кислота та оцтовий ангідрид
53const result = calculateAtomEconomy(product, reactants);
54console.log(`Атомна економіка: ${result.atomEconomy}%`);
55console.log(`Вага продукту: ${result.productWeight}`);
56console.log(`Вага реагентів: ${result.reactantsWeight}`);
571calculate_atom_economy <- function(product_formula, reactant_formulas) {
2 # Атомні маси поширених елементів
3 atomic_weights <- list(
4 H = 1.008, He = 4.003, Li = 6.941, Be = 9.012, B = 10.811,
5 C = 12.011, N = 14.007, O = 15.999, F = 18.998, Ne = 20.180,
6 Na = 22.990, Mg = 24.305, Al = 26.982, Si = 28.086, P = 30.974,
7 S = 32.066, Cl = 35.453, Ar = 39.948, K = 39.098, Ca = 40.078
8 )
9
10 parse_formula <- function(formula) {
11 # Розібрати хімічну формулу за допомогою regex
12 matches <- gregexpr("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", formula, perl = TRUE)
13 elements <- regmatches(formula, matches)[[1]]
14
15 weight <- 0
16 for (element_match in elements) {
17 # Витягнути символ елемента та кількість
18 element_parts <- regexec("([A-Z][a-z]*)(\\d*)", element_match, perl = TRUE)
19 element_extracted <- regmatches(element_match, element_parts)[[1]]
20
21 element <- element_extracted[2]
22 count <- if (element_extracted[3] == "") 1 else as.numeric(element_extracted[3])
23
24 if (!is.null(atomic_weights[[element]])) {
25 weight <- weight + atomic_weights[[element]] * count
26 } else {
27 stop(paste("Невідомий елемент:", element))
28 }
29 }
30
31 return(weight)
32 }
33
34 # Розрахунок молярних мас
35 product_weight <- parse_formula(product_formula)
36
37 reactants_weight <- 0
38 for (reactant in reactant_formulas) {
39 if (nchar(trimws(reactant)) > 0) { # Пропустити порожні реагенти
40 reactants_weight <- reactants_weight + parse_formula(reactant)
41 }
42 }
43
44 # Розрахунок атомної економіки
45 atom_economy <- (product_weight / reactants_weight) * 100
46
47 return(list(
48 atom_economy = round(atom_economy, 2),
49 product_weight = round(product_weight, 4),
50 reactants_weight = round(reactants_weight, 4)
51 ))
52}
53
54# Приклад використання
55product <- "CH3CH2OH" # Етанол
56reactants <- c("C2H4", "H2O") # Етилен та вода
57result <- calculate_atom_economy(product, reactants)
58cat(sprintf("Атомна економіка: %.2f%%\n", result$atom_economy))
59cat(sprintf("Вага продукту: %.4f\n", result$product_weight))
60cat(sprintf("Вага реагентів: %.4f\n", result$reactants_weight))
61Атомна економіка — це міра того, наскільки ефективно атоми з реагентів входять у бажаний продукт у хімічній реакції. Вона розраховується шляхом ділення молярної маси бажаного продукту на загальну молярну масу всіх реагентів і множення на 100, щоб отримати відсоток. Вищі відсотки вказують на більш ефективні реакції з меншими відходами.
Вихід реакції вимірює, скільки продукту фактично отримано в порівнянні з теоретичним максимумом на основі обмежувального реагенту. Атомна економіка, однак, вимірює теоретичну ефективність проектування реакції на атомному рівні, незалежно від того, наскільки добре реакція виконується на практиці. Реакція може мати високий вихід, але погану атомну економіку, якщо вона генерує значні побічні продукти.
Атомна економіка є основним принципом зеленої хімії, оскільки допомагає хімікам проектувати реакції, які в принципі виробляють менше відходів, включаючи більше атомів з реагентів у бажаний продукт. Це призводить до більш сталих процесів, зменшеного впливу на навколишнє середовище та часто нижчих витрат на виробництво.
Так, реакція може мати 100% атомну економіку, якщо всі атоми з реагентів потрапляють у бажаний продукт. Приклади включають реакції приєднання (як гідрування), циклізації (як реакції Дільса-Алдера) та реакції перестановки, де жодні атоми не втрачаються як побічні продукти.
Зазвичай розрахунки атомної економіки не включають розчинники або каталізатори, якщо вони не стають частиною фінального продукту. Це пов'язано з тим, що каталізатори відновлюються в циклі реакції, а розчинники зазвичай відновлюються або відокремлюються від продукту. Однак більш комплексні показники зеленої хімії, такі як E-фактор, враховують ці додаткові матеріали.
Щоб покращити атомну економіку:
Хоча вища атомна економіка зазвичай є бажаною, вона не повинна бути єдиним критерієм при оцінці реакції. Інші фактори, такі як безпека, енергетичні вимоги, вихід реакції та токсичність реагентів і побічних продуктів, також важливі. Іноді реакція з нижчою атомною економікою може бути переважною, якщо вона має інші значні переваги.
Для реакцій з кількома бажаними продуктами ви можете або:
Підхід залежить від ваших конкретних цілей аналізу.
Так, розрахунки атомної економіки повинні використовувати правильно збалансовані хімічні рівняння, які відображають правильну стехіометрію реакції. Коефіцієнти в збалансованому рівнянні впливають на відносні кількості реагентів, а отже, і на загальну молярну масу реагентів, що використовується в розрахунках.
Розрахунки атомної економіки можуть бути дуже точними, коли використовуються точні атомні маси та правильно збалансовані рівняння. Однак вони представляють собою теоретичну максимальну ефективність і не враховують практичні проблеми, такі як неповні реакції, побічні реакції або втрати під час очищення, які впливають на реальні процеси.
Trost, B. M. (1991). Атомна економіка — пошук синтетичної ефективності. Science, 254(5037), 1471-1477. https://doi.org/10.1126/science.1962206
Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Зелена хімія: теорія та практика. Oxford University Press.
Sheldon, R. A. (2017). E-фактор 25 років по тому: зростання зеленої хімії та сталого розвитку. Green Chemistry, 19(1), 18-43. https://doi.org/10.1039/C6GC02157C
Dicks, A. P., & Hent, A. (2015). Показники зеленої хімії: посібник з визначення та оцінки екологічності процесів. Springer.
Американське хімічне товариство. (2023). Зелена хімія. Отримано з https://www.acs.org/content/acs/en/greenchemistry.html
Constable, D. J., Curzons, A. D., & Cunningham, V. L. (2002). Показники для "зелених" хімічних процесів — які з них найкращі? Green Chemistry, 4(6), 521-527. https://doi.org/10.1039/B206169B
Andraos, J. (2012). Алгебра органічного синтезу: зелені показники, стратегії проектування, вибір маршруту та оптимізація. CRC Press.
EPA. (2023). Зелена хімія. Отримано з https://www.epa.gov/greenchemistry
Калькулятор атомної економіки надає потужний інструмент для оцінки ефективності та сталості хімічних реакцій на атомному рівні. Зосереджуючись на тому, наскільки ефективно атоми з реагентів входять у бажані продукти, хіміки можуть проектувати більш екологічні процеси, які мінімізують утворення відходів.
Чи ви студент, який навчається про принципи зеленої хімії, дослідник, що розробляє нові синтетичні методи, чи промисловий хімік, що оптимізує виробничі процеси, розуміння та застосування атомної економіки може призвести до більш сталих хімічних практик. Калькулятор робить цей аналіз доступним і простим, допомагаючи просунути цілі зеленої хімії в різних сферах.
Включаючи міркування атомної економіки в проектування та вибір реакцій, ми можемо працювати над майбутнім, де хімічні процеси не лише високовихідні та економічно ефективні, але й екологічно відповідальні та сталий.
Спробуйте Калькулятор атомної економіки сьогодні, щоб проаналізувати свої хімічні реакції та виявити можливості для зеленої хімії!
Відкрийте більше інструментів, які можуть бути корисними для вашого робочого процесу