MolDraw › أدوات الكيمياء › حاسبة مقاييس الكيمياء الخضراء
حاسبة مقاييس الكيمياء الخضراء
باختصار: تحسب حاسبة الكيمياء الخضراء هذه الاقتصاد الذري من معادلة موزونة، بكتل مولية مستمدة من الصيغ، ثم المردود المئوي ومعامل E وشدة كتلة العملية (PMI) وكفاءة كتلة التفاعل (RME) وكفاءة الكربون من الكتل التي استخدمتها. وتتضمن طريقتي Boots وBHC لتحضير الإيبوبروفين، وتفاعل ديلز-ألدر، وتفاعل فيتيغ. الأداة مجانية وتعمل في متصفح الويب.
اكتب معادلة موزونة بصيغ مثل C5H6 + C4H2O3 → C9H8O3 واختر الناتج المطلوب لتحصل على الاقتصاد الذري. وأضف كتلة كل متفاعل وكتلة الناتج الذي عزلته وأي مذيبات أو ماء أو كواشف أو حفازات لتحصل على مقاييس النفايات.
مواد أخرى مستخدمة (مذيبات، ماء، كواشف، حفازات)
مقاييس الكيمياء الخضراء وقوانينها
الاقتصاد الذري (%) = ν × M(الناتج المطلوب) / Σ ν × M(المتفاعلات) × 100
المردود المئوي (%) = الكتلة الفعلية / الكتلة النظرية × 100 RME (%) = كتلة الناتج / Σ كتل المتفاعلات × 100
E-factor = (الكتلة الكلية الداخلة − كتلة الناتج) / كتلة الناتج PMI = الكتلة الكلية الداخلة / كتلة الناتج = E-factor + 1
كفاءة الكربون (%) = mol من C في الناتج / mol من C في المتفاعلات × 100
| المقياس | يعتمد على | المثالي | ما يغفله |
|---|---|---|---|
| الاقتصاد الذري | المعادلة الموزونة | 100% | المردود، والكواشف الفائضة، والمذيبات |
| المردود المئوي | النتيجة المخبرية | 100% | النواتج الثانوية والنفايات الأخرى |
| كفاءة كتلة التفاعل | كتل المتفاعلات والناتج | 100% | المذيبات والمعالجة اللاحقة |
| كفاءة الكربون | ذرات الكربون الداخلة والخارجة | 100% | النفايات غير الكربونية مثل الأملاح |
| E-factor (البسيط) | جميع المدخلات عدا المذيبات والماء | 0 | نفايات المذيبات |
| E-factor (الكامل) وPMI | كل مادة مستخدمة | 0 و1 | المخاطر واستهلاك الطاقة |
قيم E-factor المعتادة حسب القطاع الصناعي
| القطاع | الإنتاج السنوي (طن) | E-factor (kg نفايات/kg ناتج) |
|---|---|---|
| تكرير النفط | من 10⁶ إلى 10⁸ | أقل من 0.1 |
| الكيماويات السائبة | من 10⁴ إلى 10⁶ | من أقل من 1 إلى 5 |
| الكيماويات الدقيقة | من 10² إلى 10⁴ | من 5 إلى أكثر من 50 |
| الصناعات الدوائية | من 10 إلى 10³ | من 25 إلى أكثر من 100 |
المبادئ الاثنا عشر للكيمياء الخضراء
- الوقاية: تجنّب إنتاج النفايات بدلًا من معالجتها.
- الاقتصاد الذري: أدخِل أكبر قدر ممكن من المتفاعلات في الناتج.
- عمليات تحضير أقل خطورة: استخدم وأنتج مواد قليلة السمية.
- مواد كيميائية أكثر أمانًا: صمّم منتجات فعّالة وأقل سمية.
- مذيبات ومواد مساعدة أكثر أمانًا: استخدم مذيبات أقل وأكثر أمانًا.
- كفاءة الطاقة: أجرِ التفاعلات قرب درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي.
- مواد خام متجددة: استخدم مواد أولية من الكتلة الحيوية حيثما أمكن.
- تقليل المشتقات: تجنّب مجموعات الحماية والخطوات المؤقتة الأخرى.
- الحفز: الحفازات أفضل من الكواشف بكميات ستوكيومترية.
- التصميم للتحلل: ينبغي أن تتحلل المنتجات دون ضرر بعد الاستخدام.
- التحليل الآني: راقب التفاعلات لإيقاف التلوث قبل تكوّنه.
- منع الحوادث: اختر مواد وظروفًا تقلل خطر الحرائق والانفجارات والتسربات.
أمثلة محلولة
الأسترة
CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O. 60.05 + 46.07 = 106.12 g/mol داخلة، و88.11 g/mol من الإستر خارجة.
12.0 g من الحمض و11.5 g من الإيثانول تعطي 13.2 g من الإستر (النظري 17.6 g).
AE 83.0%، المردود 75.0%، RME 56.2%
ديلز-ألدر
البنتاديين الحلقي + أنهيدريد الماليك ← ناتج الإضافة: C₅H₆ + C₄H₂O₃ → C₉H₈O₃.
66.10 + 98.06 = 164.16 g/mol، وهي نفسها كتلة الناتج.
AE 100%
تفاعل فيتيغ
Ph₃P=CH₂ + الهكسانون الحلقي ← ميثيلين الهكسان الحلقي + Ph₃PO.
96.17 / (276.32 + 98.14) × 100. وأكسيد ثلاثي فينيل الفوسفين (278.29 g/mol) نفايات.
AE 25.7%
الإيبوبروفين: طريقة Boots (6 خطوات)
الكواشف في جميع الخطوات: C₁₀H₁₄ وC₄H₆O₃ وC₄H₇ClO₂ وC₂H₅ONa وH₃O⁺ وNH₂OH و2H₂O = 515.0 g لكل 206.3 g من الإيبوبروفين.
AE 40.1%
الإيبوبروفين: طريقة BHC (3 خطوات)
C₁₀H₁₄ + C₄H₆O₃ + H₂ + CO → C₁₃H₁₈O₂ + CH₃COOH. 266.3 g داخلة لكل 206.3 g خارجة.
AE 77.5% (يُذكر غالبًا 77%؛ ونحو 99% مع استرداد حمض الأسيتيك)
E-factor وPMI
الأسترة أعلاه مع 1.0 g من H₂SO₄ و20 g من محلول الكربونات وغسل بـ 50 g من الماء: 94.5 g داخلة، و13.2 g خارجة.
E-factor الكامل 6.16، وPMI 7.16
أخطاء شائعة
- استخدام معادلة غير موزونة. المعاملات تغيّر كتلة المتفاعلات. وازن أولًا.
- الخلط بين الاقتصاد الذري والمردود. تفاعل فيتيغ بمردود 95% لا يزال يهدر نحو ثلاثة أرباع كتلة المتفاعلات.
- حساب الحفازات والمذيبات في الاقتصاد الذري. تُستبعد من AE لكنها تدخل في E-factor وPMI.
- نسيان معامل الناتج. إذا كانت المعادلة تنتج 2 mol من الناتج، فاستخدم 2 × M في البسط.
- الخلط بين E-factor البسيط والكامل. وضّح ما إذا كانت المذيبات والماء مشمولة؛ فهي غالبًا ما تهيمن على المجموع.
- استخدام الكاشف الفائض لحساب المردود النظري. المردود النظري يُحسب من المادة المحددة للتفاعل.
تقارن بين طرق التحضير؟ ارسم كل طريقة، مع الكواشف فوق الأسهم، في MolDraw، محرر البنى الكيميائية المجاني عبر الإنترنت.
افتح محرر MolDrawالأسئلة الشائعة
ما الاقتصاد الذري وكيف يُحسب؟
الاقتصاد الذري هو النسبة المئوية من كتلة جميع المتفاعلات التي تنتهي في الناتج المطلوب، بافتراض مردود 100%. الاقتصاد الذري = (المعامل × الكتلة المولية للناتج المطلوب) / (مجموع المعامل × الكتلة المولية لجميع المتفاعلات) × 100. وفي التفاعل CH3COOH + C2H5OH → CH3COOC2H5 + H2O يساوي 88.11 / 106.12 × 100 = 83.0%.
ما الفرق بين الاقتصاد الذري والمردود المئوي؟
يُستنتج الاقتصاد الذري من المعادلة الموزونة وحدها، ويبيّن مقدار كتلة المتفاعلات التي يمكن أن تنتهي في الناتج. أما المردود المئوي فيُقاس في المختبر ويبيّن كمية الناتج التي حصلت عليها فعلًا مقارنةً بالمردود النظري. وقد يكون لتفاعل مردود 100% ومع ذلك اقتصاد ذري منخفض، كما في تفاعل فيتيغ.
ما قيمة E-factor الجيدة؟
الأقل أفضل، والقيمة المثالية 0. والقيم المعتادة: أقل من 0.1 لتكرير النفط، ومن أقل من 1 إلى 5 للكيماويات السائبة، ومن 5 إلى أكثر من 50 للكيماويات الدقيقة، ومن 25 إلى أكثر من 100 للصناعات الدوائية. ومعظم النفايات في الكيماويات الدقيقة والأدوية مذيبات.
ما علاقة شدة كتلة العملية بمعامل E؟
PMI هي الكتلة الكلية لكل ما يُستخدم مقسومةً على كتلة الناتج. ومعامل E الكامل هو كتلة النفايات مقسومةً على كتلة الناتج. وبما أن النفايات = المدخلات الكلية − الناتج، فإن PMI = E-factor + 1.
لماذا يبلغ الاقتصاد الذري لتفاعل ديلز-ألدر 100%؟
لأنه تفاعل إضافة: يتحد الدايين والمحب للدايين في ناتج واحد ولا يُفقد شيء. ففي البنتاديين الحلقي + أنهيدريد الماليك، 66.10 + 98.06 = 164.16 g/mol، وهي بالضبط الكتلة المولية لناتج الإضافة. وتبلغ تفاعلات إعادة الترتيب ومعظم تفاعلات الإضافة 100% أيضًا.
لماذا يُعدّ تحضير الإيبوبروفين بطريقة BHC أكثر خضرة من طريقة Boots؟
تتطلب طريقة Boots ست خطوات واقتصادها الذري نحو 40%. أما طريقة BHC فتتطلب ثلاث خطوات حفزية وتبلغ 77.5%، ونحو 99% عند استرداد حمض الأسيتيك الناتج الثانوي. كما تُنتج أملاح نفايات أقل بكثير وتستخدم حفازات قابلة لإعادة التدوير.
ما كفاءة كتلة التفاعل؟
RME هي كتلة الناتج المعزول مقسومةً على الكتلة الكلية للمتفاعلات المستخدمة، مضروبةً في 100. وهي تجمع الاقتصاد الذري والمردود واستخدام الكواشف الفائضة في رقم واحد: RME = الاقتصاد الذري × المردود ÷ معامل الفائض.
أدوات كيمياء ذات صلة
تريد الطريقة كاملة مع مزيد من الأمثلة؟ اقرأ دليل مقاييس الكيمياء الخضراء. تحتاج إلى رسم جزيئات لتقرير؟ ارسم البنى الكيميائية عبر الإنترنت باستخدام MolDraw.
آخر تحديث: