Métricas de química verde explicadas: economía atómica, factor E, PMI y eficiencia másica de reacción
Respuesta corta: la economía atómica es la masa del producto deseado dividida entre la masa total de los reactivos de la ecuación ajustada, multiplicada por 100. El factor E son los kilogramos de residuos por kilogramo de producto, y la intensidad másica del proceso (PMI) son los kilogramos totales que entran por kilogramo de producto, así que PMI = factor E + 1. La eficiencia másica de reacción (RME) combina el rendimiento, la economía atómica y los reactivos en exceso. La calculadora de métricas de química verde gratuita las calcula todas a partir de una ecuación ajustada y de tus masas.
Qué miden las métricas de química verde
La química verde busca fabricar sustancias con menos residuos, menos peligros y menos energía. Las métricas convierten ese objetivo en números que puedes comparar entre rutas.
La economía atómica se calcula a partir de la ecuación antes de entrar en el laboratorio. El rendimiento, la RME, la eficiencia de carbono, el factor E y la PMI necesitan masas reales de un experimento o de una planta.
Las fórmulas
- Economía atómica (%) = (ν × M del producto deseado) / (Σ ν × M de todos los reactivos) × 100.
- Rendimiento porcentual (%) = masa real de producto / masa teórica × 100. La masa teórica se calcula a partir del reactivo limitante.
- Eficiencia másica de reacción (%) = masa de producto / masa total de reactivos usados × 100. También RME = economía atómica × rendimiento ÷ factor de exceso.
- Eficiencia de carbono (%) = moles de carbono en el producto / moles de carbono en los reactivos × 100.
- Factor E = (masa total que entra − masa de producto) / masa de producto. El factor E simple excluye disolventes y agua; el factor E completo lo incluye todo.
- Intensidad másica del proceso = masa total que entra / masa de producto = factor E completo + 1.
Los catalizadores y los disolventes no aparecen en la economía atómica. Sí aparecen en el factor E y en la PMI.
Cómo usar la calculadora de métricas de química verde
- Abre la calculadora de métricas de química verde.
- Escribe la ecuación en Ecuación ajustada con fórmulas, por ejemplo
C5H6 + C4H2O3 → C9H8O3. Pulsa Balancear ecuación si solo conoces las fórmulas. - Elige el Producto deseado. La economía atómica aparece al instante, con las masas molares calculadas a partir de las fórmulas.
- Escribe la Masa usada (g) de cada reactivo y la Masa de producto deseado aislado (g). La calculadora encuentra el reactivo limitante, el rendimiento teórico, el rendimiento porcentual, la RME y la eficiencia de carbono.
- Pulsa Añadir material para cada disolvente, lavado con agua, reactivo o catalizador, e indica su Tipo. Así obtienes el factor E simple y completo y la PMI.
- Prueba los botones Esterificación, Diels-Alder (EA del 100 %), Reacción de Wittig, Ibuprofeno: ruta Boots e Ibuprofeno: ruta BHC.
Ejemplos resueltos
1. Esterificación: economía atómica del 83,0 %
CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O. Masas molares: entran 60,05 + 46,07 = 106,12 g/mol y salen 88,11 g/mol de acetato de etilo. EA = 88,11 / 106,12 × 100 = 83,0 %. El 17 % restante sale como agua.
2. La misma reacción en el laboratorio
12,0 g de ácido acético (0,200 mol, limitante) y 11,5 g de etanol (0,250 mol) dan 13,2 g de éster. Rendimiento teórico = 0,1998 × 88,11 = 17,6 g, así que el rendimiento es del 75,0 %.
RME = 13,2 / 23,5 × 100 = 56,2 %. Eficiencia de carbono = (0,150 mol × 4 C) / (0,200 × 2 + 0,250 × 2) × 100 = 66,7 %.
Añade 1,0 g de H₂SO₄, 20 g de disolución de carbonato y un lavado con 50 g de agua: entrada total 94,5 g. Factor E completo = (94,5 − 13,2) / 13,2 = 6,16 y PMI = 7,16.
3. Diels-Alder: economía atómica del 100 %
Ciclopentadieno + anhídrido maleico → aducto: C₅H₆ + C₄H₂O₃ → C₉H₈O₃. 66,10 + 98,06 = 164,16 g/mol, que es la masa molar del producto. Todos los átomos acaban en el producto.
4. Reacción de Wittig: economía atómica del 25,7 %
Ph₃P=CH₂ + ciclohexanona → metilenciclohexano + Ph₃PO. EA = 96,17 / (276,32 + 98,14) × 100 = 25,7 %. El pesado subproducto óxido de trifenilfosfina (278,29 g/mol) es el residuo. Incluso con un rendimiento del 100 %, se pierden tres cuartas partes de la masa.
5. Ibuprofeno: ruta Boots frente a ruta BHC
La ruta Boots (años sesenta) tiene seis pasos. Sus reactivos suman 515,0 g por cada 206,3 g de ibuprofeno: EA = 40,1 %.
La ruta BHC (años noventa) tiene tres pasos catalíticos: C₁₀H₁₄ + C₄H₆O₃ + H₂ + CO → C₁₃H₁₈O₂ + CH₃COOH. Entran 266,3 g por cada 206,3 g que salen: EA = 77,5 %, a menudo citado como 77 %. Cuando el subproducto ácido acético se recupera y se vende, la economía atómica útil es de aproximadamente el 99 %.
Tabla resumen
| Reacción | Tipo | Economía atómica | Subproducto |
|---|---|---|---|
| Diels-Alder (C₅H₆ + C₄H₂O₃) | Adición | 100% | Ninguno |
| N₂ + 3H₂ → 2NH₃ | Adición | 100% | Ninguno |
| Esterificación | Condensación | 83.0% | Agua |
| Ibuprofeno, ruta BHC | Catalítica, 3 pasos | 77.5% | Ácido acético |
| Glucosa → etanol | Fermentación | 51.1% | CO₂ |
| Ibuprofeno, ruta Boots | Estequiométrica, 6 pasos | 40.1% | Sales y ácidos |
| Metilenación de Wittig | Eliminación | 25.7% | Ph₃PO |
Factores E completos típicos: refino de petróleo, menos de 0,1; productos químicos a granel, de menos de 1 a 5; química fina, de 5 a más de 50; productos farmacéuticos, de 25 a más de 100.
Los 12 principios de la química verde
- Prevenir los residuos en lugar de tratarlos.
- Maximizar la economía atómica.
- Usar síntesis menos peligrosas.
- Diseñar productos químicos más seguros.
- Usar disolventes y auxiliares más seguros.
- Diseñar para la eficiencia energética.
- Usar materias primas renovables.
- Reducir los derivados, como los grupos protectores.
- Usar catalizadores, no reactivos estequiométricos.
- Diseñar productos que se degraden tras su uso.
- Analizar en tiempo real para prevenir la contaminación.
- Elegir una química intrínsecamente más segura para prevenir accidentes.
Errores comunes
- Usar una ecuación sin ajustar, lo que cambia la masa total de reactivos.
- Olvidar el coeficiente del producto, por ejemplo 2NH₃.
- Tratar la economía atómica y el rendimiento porcentual como si fueran lo mismo.
- Incluir catalizadores o disolventes en el denominador de la economía atómica.
- Dar un factor E sin indicar si incluye disolventes y agua.
- Calcular el rendimiento teórico a partir del reactivo en exceso.
Consejos para el examen
- A-level (AQA, OCR, Edexcel): las preguntas de economía atómica dan una ecuación ajustada y valores de Mr. Escribe la fórmula, después los números, y da la respuesta con 3 cifras significativas.
- AP Chemistry e IB: pueden preguntarte por qué una reacción con un rendimiento alto sigue generando muchos residuos. Señala el subproducto y la baja economía atómica.
- NEET y JEE: las reacciones de adición y de transposición tienen un 100 % de economía atómica; las sustituciones y eliminaciones no.
- Recuerda que PMI = factor E + 1. Es una comprobación rápida de tus cálculos.
Preguntas y respuestas
¿Cómo se calcula la economía atómica?
Divide la masa fórmula del producto deseado (multiplicada por su coeficiente) entre la masa fórmula total de todos los reactivos (multiplicadas por sus coeficientes) y multiplica por 100. Para CH3COOH + C2H5OH → CH3COOC2H5 + H2O, economía atómica = 88,11 / 106,12 × 100 = 83,0 %.
¿Qué diferencia hay entre economía atómica y rendimiento porcentual?
La economía atómica es un valor teórico que sale de la ecuación ajustada. El rendimiento porcentual se mide y compara el producto que realmente obtuviste con el rendimiento teórico. Una reacción de Wittig puede tener un rendimiento alto pero solo un 26 % de economía atómica.
¿Qué es el factor E en química verde?
El factor E es la masa de residuos dividida entre la masa de producto. Los residuos son todo lo que entra pero no acaba como producto, incluidos los disolventes en el factor E completo. Lo ideal es 0.
¿Qué es la intensidad másica del proceso?
La intensidad másica del proceso (PMI) es la masa total de todos los materiales usados, incluidos reactivos, disolventes, reactivos auxiliares y agua, dividida entre la masa de producto. PMI = factor E completo + 1. Es la métrica más usada por las empresas farmacéuticas.
¿Qué reacciones tienen un 100 % de economía atómica?
Las reacciones en las que todos los átomos de los reactivos acaban en un solo producto: adiciones como la hidrogenación y la reacción de Diels-Alder, y las transposiciones. N2 + 3H2 → 2NH3 también es del 100 %.
¿Por qué la síntesis BHC del ibuprofeno es más verde que la síntesis Boots?
La BHC usa tres pasos catalíticos en lugar de seis estequiométricos. Su economía atómica es del 77,5 % frente al 40,1 %, su único subproducto es el ácido acético, que puede recuperarse, y sus catalizadores se reutilizan.
¿Qué es la eficiencia másica de reacción?
La RME es la masa de producto aislado dividida entre la masa total de reactivos usados, multiplicada por 100. Tiene en cuenta el rendimiento y los reactivos usados en exceso, así que siempre es menor o igual que la economía atómica.