Atom ekonomisi hesaplama
Dengelenmiş denklemdeki tüm girenlerin katsayılarını ve mol kütlelerini, ayrıca istediğiniz ürünün katsayısını ve mol kütlesini girin; atom ekonomisini, 100 g giren başına yan ürün kütlesini ve sonucun yorumunu görün.
Bir tepkimenin atom ekonomisi
Atom ekonomisi formülü
Buradaki semboller:
- \(\nu_p\) — istenen ürünün dengelenmiş denklemedeki stokiyometrik katsayısı
- \(M_p\) — istenen ürünün mol kütlesi (g/mol)
- \(\nu_i\) — \(i\) numaralı girenin stokiyometrik katsayısı
- \(M_i\) — \(i\) numaralı girenin mol kütlesi (g/mol)
Formül, %100 verim varsayımıyla girenlerin (stokiyometrik oranlarındaki) toplam kütlesinin yüzde kaçının istenen ürüne dönüştüğünü gösterir. İstenen ürünün parçası olmayan her şey — bütün yan ürünler — atık olarak sayılır.
Atom ekonomisi – hesaplama örneği
Örnek: kalsiyum klorür, sodyum karbonatla tepkimeye girerek kalsiyum karbonat (yararlı bir dolgu maddesi ve yapı malzemesi) çöktürür; yan ürün ise sodyum klorürdür:
\[ \text{CaCl}_2 + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow \text{CaCO}_3 \downarrow + 2\,\text{NaCl} \]
Girenler 1 110.98 (CaCl₂) ve 1 105.99 (Na₂CO₃) olarak girilir; istenen ürün, katsayısı 1 ve mol kütlesi 100,09 g/mol olan CaCO₃'tür.
\[ \text{AE} = \frac{1 \times 100.09}{1 \times 110.98 + 1 \times 105.99} \times 100\% = \frac{100.09}{216.97} \times 100\% = 46.13\% \]
Sonuç: atom ekonomisi %46,13; yani tüketilen her 100 g giren başına 53,87 g yan ürün (çoğunlukla NaCl) oluşur.
Atom ekonomisi hesaplayıcısı nasıl kullanılır?
- Tepkimeniz için dengelenmiş kimyasal denklemi yazın. Anlamlı bir atom ekonomisi ancak doğru dengelenmiş bir denklemden çıkar.
- Girenler (katsayı + mol kütlesi) alanına tüm girenleri, her satıra bir tanesi gelecek ya da noktalı virgülle ayırarak listeleyin. Her biri için önce stokiyometrik katsayıyı, ardından g/mol cinsinden mol kütlesini yazın; örneğin
2 74.09. Tek bir sayı girerseniz, katsayısı 1 olan bir mol kütlesi olarak yorumlanır. - Ürün katsayısını girin — dengelenmiş denklemde istenen ürünün önündeki sayı (örneğin 2 NaCl için 2).
- Ürün mol kütlesini g/mol cinsinden girin.
- Sonuçları okuyun: yüzde cinsinden atom ekonomisi, 100 g giren başına yan ürün kütlesi, kısa bir yorum ve laboratuvar raporunuza ya da ödevinize kopyalayabileceğiniz adım adım bir hesaplama.
Atom ekonomisi nedir?
1991'de Barry Trost tarafından ortaya atılan atom ekonomisi, yeşil kimyanın on iki ilkesinden biridir. Bir kimyasal tepkimenin başlangıç maddelerinin kütlesini istenen ürüne ne kadar verimli dönüştürdüğünü ölçer. %100 atom ekonomili bir tepkimede girenlerin her atomı ürüne girer — hiçbir şey boşa gitmez. Katılma tepkimeleri ve moleküler düzenlenmeler bu ideale ulaşabilir; buna karşılık sübstitüsyon (yer değiştirme), eliminasyon (ayrılma) ve tuz oluşturan tepkimeler kaçınılmaz olarak stokiyometrik yan ürünler üretir.
Bu ölçütün önemli olmasının nedeni, atığı bir sentezin tasarım aşamasında, daha bir şey balona konmadan yakalamasıdır. Aynı moleküle giden iki yol da laboratuvarda %95 verim verebilir; ama biri, kendi kütlesinin birkaç katı kadar istenmeyen tuz ve çözücü üretebilir. Atom ekonomisi daha yüksek olan yolu seçmek bu atığı sonradan arıtmak yerine daha baştan önler — süreç sonunda atık bertaraf etmekten çok daha ucuz ve temiz bir stratejidir.
Sonucun yorumlanması: %90 ve üzeri mükemmeldir ve tipik olarak katılma ile düzenlenme kimyasında görülür; %60–90 iyidir; %40–60 orta düzeydedir, giren kütlesinin yaklaşık yarısı atık olur; %40'ın altı kötüdür ve genellikle alternatif yollar aramaya değer. Atom ekonomisinin kusursuz %100 verimi varsaydığını unutmayın — gerçek kütle verimi, bu ölçütün kapsamadığı fiili verime, çözücülere, saflaştırma adımlarına ve fazlasıyla kullanılan reaktiflere de bağlıdır.
Varsayımlar, sınırlamalar ve ipuçları
- Dengelenmiş denklem gerekir. Hesaplayıcı, ürün kütlesinin toplam giren kütlesini aşıp aşmadığını denetler; ama denklemin kimyasal olarak doğru olduğunu doğrulayamaz — önce denklemi mutlaka dengeleyin. Uygulamada hangi girenin önce tükendiğinden emin değilseniz Sınırlayıcı reaktif hesaplayıcısı yardımcı olabilir.
- Yalnızca stokiyometrik miktarlar. Fazla kullanılan girenler (ucuz reaktiflerde yaygındır) gerçek atığı artırsa da burada yok sayılır. Çözücüler, katalizörler ve işlenme sırasında kullanılan kimyasallar da tanım gereği hariçtir.
- Kuramsaldır, gerçek değil. Mükemmel atom ekonomisine ama %20 verime sahip bir tepkime, toplamda kantitatif yürüyen mütevazı bir yoldan daha az verimli olabilir. Atom ekonomisini gerçek kütle verimini öngörmek için değil, yolları karşılaştırmak için kullanın.
- Tek istenen ürün. Birden çok ürün değerliyse, her biri için atom ekonomisini ayrı ayrı hesaplayın ya da yorumlamadan önce kütlelerini pay içinde toplayın.
- Hassas mol kütleleri kullanın. Mol kütlelerindeki küçük yuvarlamalar sonucu biraz kaydırır; raporlama için yukarıdaki örnekteki gibi en az iki ondalık basamak taşıyın.
- Atom ekonomisi, bir tepkimeyi değerlendirirken başka ölçüt ve araçlarla iyi birlikte kullanılır — örneğin Denge sabiti hesaplayıcısı tepkimenin ne kadar ilerlediğini, Gibbs serbest enerjisi hesaplayıcısı ise hiç termodinamik olarak elverişli olup olmadığını söyler.
Sıkça Sorulan Sorular
Atom ekonomisini elle nasıl hesaplarım?
Önce denklemi dengeleyin, sonra her girenin stokiyometrik katsayısını mol kütlesiyle çarpın ve sonuçları toplayın. Ardından istenen ürünün katsayısını mol kütlesiyle çarpın. Son olarak ürün kütlesini toplam giren kütlesine bölüp 100 ile çarpın: \(\text{AE} = \frac{\nu_p M_p}{\sum \nu_i M_i} \times 100\%\). Örnek: \(2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \to 2\,\text{H}_2\text{O}\) için toplam \(2\times2.016 + 32.00 = 36.03\) g, ürün ise \(2\times18.02 = 36.03\) g olur ve sonuç tam olarak %100 çıkar.
Atom ekonomisi ile yüzde verim arasındaki fark nedir?
Atom ekonomisi, dengelenmiş denklemin kuramsal bir özelliğidir — kusursuz %100 verimde giren kütlesinin ne kadarının istenen ürün olabileceğini söyler. Yüzde verim ise laboratuvarda kuramsal miktara kıyasla gerçekte ne elde ettiğinizi ölçer. Bir tepkimenin %100 atom ekonomisi ama %50 verimi olabileceği gibi, %40 atom ekonomisi ve kantitatif verimi de olabilir. İkisini birleştiren yararlı bir ölçüt de tepkime kütle verimidir (RME).
Atom ekonomisi 0'den yüksek olabilir mi?
Hayır. Kütle korunumu, ürünün girenlerin toplamından daha ağır olamayacağını güvence altına alır; dolayısıyla atom ekonomisi %100'le sınırlıdır. Hesabınız bunu aşıyorsa bir yerde hata vardır: denklem dengeli değildir, bir katsayı yanlış okunmuştur ya da bir mol kütlesi hatalıdır (örneğin suyun da üretildiğinin unutulması). Bir eliminasyonda oluşan su gibi zararsız bir yan ürünün bile atom ekonominize aleyhine sayıldığını unutmayın.
Hesaplayıcıya gireceğim mol kütlelerini nasıl bulurum?
Formüldeki her atom için periyodik tablodaki atom kütlelerini toplayın; örneğin \(\text{CaCO}_3 = 40.08 + 12.01 + 3\times16.00 = 100.09\) g/mol. Sık rastlanan bir tuzak hidratlardır: \(\text{CuSO}_4\cdot 5\text{H}_2\text{O}\)'nin mol kütlesi beş su molekülünü de içermelidir (159,61 değil 249,69 g/mol). Giren için hangi formu kullanırsanız kullanın, dengelenmiş denkleminizdeki formla eşleştiğinden emin olun.
Çözücüler, katalizörler veya fazla kullanılan reaktifler dahil edilir mi?
Tanım gereği hayır — atom ekonomisi yalnızca dengelenmiş denklemde yer alan stokiyometrik girenleri dikkate alır. Katalizörler yenilenir ve tüketilmez; çözücüler giren değil ortamdır; fazla reaktifler ise ölçüt tam stokiyometrik miktarlar varsaydığı için yok sayılır. Bu bilinen bir sınırlılıktır: bir tepkime atom ekonomisi açısından "yeşil" görünürken çözücülerden ve fazla kimyasallardan büyük miktarda gerçek atık üretebilir. E-faktörü veya proses kütle yoğunluğu (PMI) gibi ölçütler bunları kapsar.
Atom ekonomisi E-faktörüyle nasıl ilişkilidir?
Bunlar ters yönde ilerleyen, birbirini tamamlayan yeşil kimya ölçütleridir. Atom ekonomisi dengelenmiş denklem düzeyinde yalnızca istenen üründe olmayan kısmı sayar; E-faktörü (ürünün kilogramı başına düşen atık kilogramı) ise çözücüler, işleme kayıpları ve başarısız partiler dahil tüm gerçek atığı ölçer. Yüksek atom ekonomisi genellikle düşük E-faktörü anlamına gelir; ama mükemmel atom ekonomili bir tepkime, çok sayıda çözücü hacmi kullanıyorsa ya da düşük verim veriyorsa yine kötü bir E-faktörüne sahip olabilir.
Sübstitüsyon tepkimem neden bu kadar düşük atom ekonomisine sahip?
Sübstitüsyonda girenden kopan her ayrılan grup stokiyometrik bir yan ürüne dönüşür; çoğu zaman bir baz ya da bağlanma reaktifi de atık olur. Ayrılan grup ve yardımcı reaktifler ürüne kıyasla ne kadar ağırsa puan o kadar düşüktür — peptit bağlanmaları ve tuz değişim tepkimeleri klasik örneklerdir. İki molekülün yalnızca birleştiği katılma tepkimeleri ile atomların sadece yer değiştirdiği düzenlenmeler bu sorunu yaşamaz ve %100'e ulaşabilir.