Penjelasan Metrik Kimia Hijau: Ekonomi Atom, E-Factor, PMI, dan Efisiensi Massa Reaksi
Jawaban singkat: Ekonomi atom adalah massa produk yang diinginkan dibagi massa total reaktan dalam persamaan setara, dikali 100. E-factor adalah kilogram limbah per kilogram produk, dan intensitas massa proses (PMI) adalah total kilogram masuk per kilogram produk, sehingga PMI = E-factor + 1. Efisiensi massa reaksi (RME) menggabungkan hasil, ekonomi atom, dan reagen berlebih. Kalkulator metrik kimia hijau yang gratis menghitung semuanya dari persamaan setara dan massa Anda.
Apa yang diukur metrik kimia hijau
Kimia hijau bertujuan membuat bahan kimia dengan limbah, bahaya, dan energi yang lebih sedikit. Metrik mengubah tujuan itu menjadi angka yang dapat Anda bandingkan antar-rute.
Ekonomi atom dihitung dari persamaan sebelum Anda masuk laboratorium. Hasil, RME, efisiensi karbon, E-factor, dan PMI memerlukan massa nyata dari percobaan atau pabrik.
Rumus-rumusnya
- Ekonomi atom (%) = (ν × M produk yang diinginkan) / (Σ ν × M semua reaktan) × 100.
- Persen hasil (%) = massa produk sebenarnya / massa teoretis × 100. Massa teoretis berasal dari pereaksi pembatas.
- Efisiensi massa reaksi (%) = massa produk / massa total reaktan yang dipakai × 100. Juga RME = ekonomi atom × hasil ÷ faktor kelebihan.
- Efisiensi karbon (%) = mol karbon dalam produk / mol karbon dalam reaktan × 100.
- E-factor = (massa total masuk − massa produk) / massa produk. E-factor sederhana tidak memasukkan pelarut dan air; E-factor lengkap memasukkan semuanya.
- Intensitas massa proses = massa total masuk / massa produk = E-factor lengkap + 1.
Katalis dan pelarut tidak muncul dalam ekonomi atom. Keduanya muncul dalam E-factor dan PMI.
Cara memakai kalkulator metrik kimia hijau
- Buka kalkulator metrik kimia hijau.
- Ketik persamaannya di Persamaan setara memakai rumus, misalnya
C5H6 + C4H2O3 → C9H8O3. Tekan Setarakan persamaan jika Anda hanya mengetahui rumusnya. - Pilih Produk yang diinginkan. Ekonomi atom langsung muncul, dengan massa molar dari rumus.
- Ketik Massa yang dipakai (g) untuk setiap reaktan dan Massa produk yang diinginkan yang diisolasi (g). Kalkulator menentukan pereaksi pembatas, hasil teoretis, persen hasil, RME, dan efisiensi karbon.
- Tekan Tambah bahan untuk setiap pelarut, air pencuci, reagen, atau katalis, lalu atur Jenis-nya. Ini menghasilkan E-factor sederhana dan lengkap serta PMI.
- Coba tombol Esterifikasi, Diels-Alder (EA 100%), Reaksi Wittig, Ibuprofen: rute Boots, dan Ibuprofen: rute BHC.
Contoh soal
1. Esterifikasi: ekonomi atom 83,0%
CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O. Massa molar: 60,05 + 46,07 = 106,12 g/mol masuk, 88,11 g/mol etil asetat keluar. EA = 88,11 / 106,12 × 100 = 83,0%. 17% sisanya keluar sebagai air.
2. Reaksi yang sama di laboratorium
12,0 g asam asetat (0,200 mol, pembatas) dan 11,5 g etanol (0,250 mol) menghasilkan 13,2 g ester. Hasil teoretis = 0,1998 × 88,11 = 17,6 g, sehingga persen hasilnya 75,0%.
RME = 13,2 / 23,5 × 100 = 56,2%. Efisiensi karbon = (0,150 mol × 4 C) / (0,200 × 2 + 0,250 × 2) × 100 = 66,7%.
Tambahkan 1,0 g H₂SO₄, 20 g larutan karbonat, dan 50 g air pencuci: total masukan 94,5 g. E-factor lengkap = (94,5 − 13,2) / 13,2 = 6,16 dan PMI = 7,16.
3. Diels-Alder: ekonomi atom 100%
Siklopentadiena + anhidrida maleat → adduct: C₅H₆ + C₄H₂O₃ → C₉H₈O₃. 66,10 + 98,06 = 164,16 g/mol, yang sama dengan massa molar produk. Setiap atom berakhir dalam produk.
4. Reaksi Wittig: ekonomi atom 25,7%
Ph₃P=CH₂ + sikloheksanon → metilenasikloheksana + Ph₃PO. EA = 96,17 / (276,32 + 98,14) × 100 = 25,7%. Produk samping yang berat, trifenilfosfina oksida (278,29 g/mol), adalah limbahnya. Bahkan pada hasil 100%, tiga perempat massa terbuang.
5. Ibuprofen: rute Boots dibandingkan rute BHC
Rute Boots (1960-an) memakai enam tahap. Reagennya berjumlah 515,0 g per 206,3 g ibuprofen: EA = 40,1%.
Rute BHC (1990-an) memakai tiga tahap katalitik: C₁₀H₁₄ + C₄H₆O₃ + H₂ + CO → C₁₃H₁₈O₂ + CH₃COOH. 266,3 g masuk per 206,3 g keluar: EA = 77,5%, sering dikutip sebagai 77%. Bila produk samping asam asetat diperoleh kembali dan dijual, ekonomi atom yang berguna sekitar 99%.
Tabel ringkasan
| Reaksi | Jenis | Ekonomi atom | Produk samping |
|---|---|---|---|
| Diels-Alder (C₅H₆ + C₄H₂O₃) | Adisi | 100% | Tidak ada |
| N₂ + 3H₂ → 2NH₃ | Adisi | 100% | Tidak ada |
| Esterifikasi | Kondensasi | 83.0% | Air |
| Ibuprofen, rute BHC | Katalitik, 3 tahap | 77.5% | Asam asetat |
| Glukosa → etanol | Fermentasi | 51.1% | CO₂ |
| Ibuprofen, rute Boots | Stoikiometrik, 6 tahap | 40.1% | Garam dan asam |
| Metilenasi Wittig | Eliminasi | 25.7% | Ph₃PO |
E-factor lengkap yang umum: penyulingan minyak di bawah 0,1, bahan kimia curah di bawah 1 hingga 5, bahan kimia halus 5 hingga lebih dari 50, farmasi 25 hingga lebih dari 100.
12 prinsip kimia hijau
- Cegah limbah daripada mengolahnya.
- Maksimalkan ekonomi atom.
- Gunakan sintesis yang kurang berbahaya.
- Rancang bahan kimia yang lebih aman.
- Gunakan pelarut dan bahan pembantu yang lebih aman.
- Rancang untuk efisiensi energi.
- Gunakan bahan baku terbarukan.
- Kurangi turunan seperti gugus pelindung.
- Gunakan katalis, bukan reagen stoikiometrik.
- Rancang produk agar terurai setelah dipakai.
- Lakukan analisis waktu nyata untuk mencegah pencemaran.
- Pilih kimia yang secara inheren lebih aman untuk mencegah kecelakaan.
Kesalahan umum
- Memakai persamaan yang belum setara, yang mengubah massa total reaktan.
- Melupakan koefisien produk, misalnya 2NH₃.
- Menganggap ekonomi atom dan persen hasil sebagai hal yang sama.
- Memasukkan katalis atau pelarut ke penyebut ekonomi atom.
- Menyebutkan E-factor tanpa menjelaskan apakah pelarut dan air dimasukkan.
- Menghitung hasil teoretis dari reagen yang berlebih.
Tips ujian
- A-level (AQA, OCR, Edexcel): soal ekonomi atom memberikan persamaan setara dan nilai Mr. Tuliskan rumusnya, lalu angkanya, dan berikan jawaban dalam 3 angka penting.
- AP Chemistry dan IB: Anda mungkin ditanya mengapa reaksi dengan hasil tinggi tetap boros. Tunjukkan produk sampingnya dan ekonomi atom yang rendah.
- NEET dan JEE: reaksi adisi dan penataan ulang memiliki ekonomi atom 100%; substitusi dan eliminasi tidak.
- Ingat PMI = E-factor + 1. Ini cara cepat memeriksa hitungan Anda.
Tanya jawab
Bagaimana cara menghitung ekonomi atom?
Bagi massa rumus produk yang diinginkan (dikali koefisiennya) dengan massa rumus total semua reaktan (dikali koefisiennya), lalu kalikan 100. Untuk CH3COOH + C2H5OH → CH3COOC2H5 + H2O, ekonomi atom = 88,11 / 106,12 × 100 = 83,0%.
Apa perbedaan ekonomi atom dan persen hasil?
Ekonomi atom adalah nilai teoretis dari persamaan setara. Persen hasil diukur dan membandingkan produk yang benar-benar Anda peroleh dengan hasil teoretis. Reaksi Wittig dapat memiliki hasil yang tinggi tetapi ekonomi atomnya hanya sekitar 26%.
Apa itu E-factor dalam kimia hijau?
E-factor adalah massa limbah dibagi massa produk. Limbah adalah semua yang masuk tetapi tidak menjadi produk, termasuk pelarut pada E-factor lengkap. Nilai idealnya 0.
Apa itu intensitas massa proses?
Intensitas massa proses (PMI) adalah massa total semua bahan yang dipakai, termasuk reaktan, pelarut, reagen, dan air, dibagi massa produk. PMI = E-factor lengkap + 1. Ini adalah metrik yang paling banyak dipakai perusahaan farmasi.
Reaksi apa yang memiliki ekonomi atom 100%?
Reaksi yang semua atom reaktannya berakhir dalam satu produk: adisi seperti hidrogenasi dan reaksi Diels-Alder, serta penataan ulang. N2 + 3H2 → 2NH3 juga 100%.
Mengapa sintesis BHC ibuprofen lebih hijau daripada sintesis Boots?
BHC memakai tiga tahap katalitik alih-alih enam tahap stoikiometrik. Ekonomi atomnya 77,5% dibandingkan 40,1%, satu-satunya produk sampingnya adalah asam asetat yang dapat diperoleh kembali, dan katalisnya dipakai ulang.
Apa itu efisiensi massa reaksi?
RME adalah massa produk yang diisolasi dibagi massa total reaktan yang dipakai, dikali 100. RME memperhitungkan hasil dan reagen yang dipakai berlebih, sehingga selalu lebih rendah atau sama dengan ekonomi atom.