شرح مقاييس الكيمياء الخضراء: الاقتصاد الذري وE-factor وPMI وكفاءة كتلة التفاعل

ما الذي تقيسه مقاييس الكيمياء الخضراء

تهدف الكيمياء الخضراء إلى تحضير المواد الكيميائية بنفايات أقل ومخاطر أقل وطاقة أقل. وتحوّل المقاييس هذا الهدف إلى أرقام يمكنك مقارنتها بين طرق التحضير.

يُحسب الاقتصاد الذري من المعادلة قبل أن تدخل المختبر. أما المردود وRME وكفاءة الكربون وE-factor وPMI فتحتاج إلى كتل حقيقية من تجربة أو مصنع.

القوانين

• الاقتصاد الذري (%) = (ν × M للناتج المطلوب) / (Σ ν × M لجميع المتفاعلات) × 100.
• المردود المئوي (%) = الكتلة الفعلية للناتج / الكتلة النظرية × 100. وتأتي الكتلة النظرية من الكاشف المحدِّد.
• كفاءة كتلة التفاعل (%) = كتلة الناتج / الكتلة الكلية للمتفاعلات المستخدمة × 100. وكذلك RME = الاقتصاد الذري × المردود ÷ معامل الفائض.
• كفاءة الكربون (%) = مولات الكربون في الناتج / مولات الكربون في المتفاعلات × 100.
• E-factor = (الكتلة الكلية الداخلة − كتلة الناتج) / كتلة الناتج. يستبعد E-factor البسيط المذيبات والماء؛ ويشمل E-factor الكامل كل شيء.
• شدة كتلة العملية = الكتلة الكلية الداخلة / كتلة الناتج = E-factor الكامل + 1.

لا تظهر الحفّازات والمذيبات في الاقتصاد الذري، لكنها تظهر في E-factor وPMI.

كيف تستخدم حاسبة مقاييس الكيمياء الخضراء

1. افتح حاسبة مقاييس الكيمياء الخضراء.
2. اكتب المعادلة في المعادلة الموزونة باستخدام الصيغ، مثل C5H6 + C4H2O3 → C9H8O3. واضغط وازن المعادلة إذا كنت تعرف الصيغ فقط.
3. اختر الناتج المطلوب. يظهر الاقتصاد الذري فورًا، مع الكتل المولية المحسوبة من الصيغ.
4. اكتب الكتلة المستخدمة (g) لكل متفاعل وكتلة الناتج المطلوب المعزول (g). تجد الحاسبة الكاشف المحدِّد، والمردود النظري، والمردود المئوي، وRME، وكفاءة الكربون.
5. اضغط إضافة مادة لكل مذيب أو غسلة ماء أو كاشف أو حفّاز، واضبط النوع. يعطيك ذلك E-factor البسيط والكامل وPMI.
6. جرّب الأزرار الأسترة، وديلز-ألدر (AE ‏100%)، وتفاعل فيتيغ، والإيبوبروفين: طريقة Boots، والإيبوبروفين: طريقة BHC.

أمثلة محلولة

1. الأسترة: اقتصاد ذري 83.0%

CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O. الكتل المولية: 60.05 + 46.07 = 106.12 g/mol داخلة، و88.11 g/mol من أسيتات الإيثيل خارجة. AE = 88.11 / 106.12 × 100 = 83.0%. وتغادر الـ 17% الباقية على هيئة ماء.

2. التفاعل نفسه في المختبر

12.0 g من حمض الأسيتيك (0.200 mol، الكاشف المحدِّد) و11.5 g من الإيثانول (0.250 mol) تعطي 13.2 g من الإستر. المردود النظري = 0.1998 × 88.11 = 17.6 g، فالمردود 75.0%.

RME = 13.2 / 23.5 × 100 = 56.2%. كفاءة الكربون = (0.150 mol × 4 C) / (0.200 × 2 + 0.250 × 2) × 100 = 66.7%.

أضف 1.0 g من H₂SO₄ و20 g من محلول الكربونات وغسلة ماء مقدارها 50 g: المدخلات الكلية 94.5 g. E-factor الكامل = (94.5 − 13.2) / 13.2 = 6.16 وPMI = 7.16.

3. ديلز-ألدر: اقتصاد ذري 100%

البنتاديين الحلقي + أنهيدريد الماليك ← ناتج الإضافة: C₅H₆ + C₄H₂O₃ → C₉H₈O₃. ‏66.10 + 98.06 = 164.16 g/mol، وهي الكتلة المولية للناتج. كل ذرة تنتهي في الناتج.

4. تفاعل فيتيغ: اقتصاد ذري 25.7%

Ph₃P=CH₂ + الهكسانون الحلقي ← ميثيلين الهكسان الحلقي + Ph₃PO. AE = 96.17 / (276.32 + 98.14) × 100 = 25.7%. والناتج الثانوي الثقيل أكسيد ثلاثي فينيل الفوسفين (278.29 g/mol) هو النفايات. وحتى عند مردود 100%، تضيع ثلاثة أرباع الكتلة.

5. الإيبوبروفين: طريقة Boots مقابل طريقة BHC

تستغرق طريقة Boots (الستينيات) ست خطوات. ومجموع كواشفها 515.0 g لكل 206.3 g من الإيبوبروفين: AE = 40.1%.

تستغرق طريقة BHC (التسعينيات) ثلاث خطوات حفزية: C₁₀H₁₄ + C₄H₆O₃ + H₂ + CO → C₁₃H₁₈O₂ + CH₃COOH. ‏266.3 g داخلة لكل 206.3 g خارجة: AE = 77.5%، وكثيرًا ما تُذكر 77%. وعندما يُسترد الناتج الثانوي حمض الأسيتيك ويُباع، يبلغ الاقتصاد الذري المفيد نحو 99%.

جدول ملخص

قيم E-factor الكاملة المعتادة: تكرير النفط أقل من 0.1، والمواد الكيميائية السائبة من أقل من 1 إلى 5، والمواد الكيميائية الدقيقة من 5 إلى أكثر من 50، والأدوية من 25 إلى أكثر من 100.

المبادئ الاثنا عشر للكيمياء الخضراء

1. امنع النفايات بدلًا من معالجتها.
2. عظّم الاقتصاد الذري.
3. استخدم طرق تخليق أقل خطورة.
4. صمّم مواد كيميائية أكثر أمانًا.
5. استخدم مذيبات ومواد مساعدة أكثر أمانًا.
6. صمّم من أجل كفاءة الطاقة.
7. استخدم مواد أولية متجددة.
8. قلّل المشتقات مثل مجموعات الحماية.
9. استخدم الحفّازات لا الكواشف التكافئية.
10. صمّم منتجات تتحلل بعد الاستخدام.
11. حلّل في الزمن الحقيقي لمنع التلوث.
12. اختر كيمياء آمنة بطبيعتها لمنع الحوادث.

أخطاء شائعة

• استخدام معادلة غير موزونة، ما يغيّر الكتلة الكلية للمتفاعلات.
• إغفال معامل الناتج، مثل 2NH₃.
• معاملة الاقتصاد الذري والمردود المئوي على أنهما الشيء نفسه.
• إدخال الحفّازات أو المذيبات في مقام الاقتصاد الذري.
• ذكر E-factor دون توضيح ما إذا كانت المذيبات والماء مشمولة.
• حساب المردود النظري من الكاشف الفائض.

نصائح للامتحانات

• A-level ‏(AQA وOCR وEdexcel): تعطي أسئلة الاقتصاد الذري معادلة موزونة وقيم Mr. اكتب القانون، ثم الأرقام، وأعطِ الإجابة بثلاثة أرقام معنوية.
• AP Chemistry وIB: قد يُطلب منك تفسير سبب كون تفاعل ذي مردود عالٍ مُهدِرًا مع ذلك. أشر إلى الناتج الثانوي والاقتصاد الذري المنخفض.
• NEET وJEE: لتفاعلات الإضافة وإعادة الترتيب اقتصاد ذري 100%؛ أما تفاعلات الاستبدال والحذف فلا.
• تذكّر أن PMI = E-factor + 1. إنه فحص سريع لحساباتك.

أدوات ذات صلة

أدلة ذات صلة