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Calcolatore delle metriche di chimica verde

In breve: questo calcolatore di chimica verde ricava l'economia atomica da un'equazione bilanciata, con le masse molari dalle formule, e poi resa percentuale, fattore E, intensità di massa del processo (PMI), efficienza di massa della reazione (RME) ed efficienza del carbonio dalle masse che hai usato. Include le vie Boots e BHC dell'ibuprofene, una reazione di Diels-Alder e una reazione di Wittig. È gratuito e funziona nel browser.

Digita un'equazione bilanciata con formule come C5H6 + C4H2O3 → C9H8O3 e scegli il prodotto desiderato per ottenere l'economia atomica. Aggiungi la massa di ogni reagente, la massa di prodotto isolato ed eventuali solventi, acqua, reagenti o catalizzatori per ottenere le metriche sui rifiuti.

Risposta rapida: per CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O, economia atomica = 88,11 / (60,05 + 46,07) × 100 = 83,0%. Un'addizione di Diels-Alder arriva al 100%. L'ibuprofene ottenuto con la via Boots ha il 40,1%; la via BHC il 77,5%.

Altri materiali usati (solventi, acqua, reagenti, catalizzatori)

Metriche e formule della chimica verde

Economia atomica (%) = ν × M(prodotto desiderato) / Σ ν × M(reagenti) × 100 Resa percentuale (%) = massa reale / massa teorica × 100 RME (%) = massa del prodotto / Σ massa dei reagenti × 100 Fattore E = (massa totale in ingresso − massa del prodotto) / massa del prodotto PMI = massa totale in ingresso / massa del prodotto = fattore E + 1 Efficienza del carbonio (%) = mol di C nel prodotto / mol di C nei reagenti × 100
MetricaBasata suIdealeCosa non considera
Economia atomicaEquazione bilanciata100%Resa, reagenti in eccesso, solventi
Resa percentualeRisultato di laboratorio100%Sottoprodotti e altri rifiuti
Efficienza di massa della reazioneMasse di reagenti e prodotto100%Solventi e lavorazione finale
Efficienza del carbonioAtomi di carbonio in ingresso e in uscita100%Rifiuti non carboniosi come i sali
Fattore E (semplice)Tutti gli input tranne solventi e acqua0Rifiuti di solvente
Fattore E (completo) e PMIOgni materiale usato0 e 1Pericolosità e consumo energetico

Fattori E tipici per settore

SettoreProduzione annua (tonnellate)Fattore E (kg rifiuti/kg prodotto)
Raffinazione del petrolioda 10⁶ a 10⁸sotto 0,1
Prodotti chimici di baseda 10⁴ a 10⁶da meno di 1 a 5
Chimica fineda 10² a 10⁴da 5 a oltre 50
Farmaceuticada 10 a 10³da 25 a oltre 100

I 12 principi della chimica verde

  1. Prevenzione: evita di produrre rifiuti invece di trattarli.
  2. Economia atomica: incorpora nel prodotto quanta più massa possibile dei reagenti.
  3. Sintesi meno pericolose: usa e produci sostanze poco tossiche.
  4. Prodotti chimici più sicuri: progetta prodotti efficaci ma meno tossici.
  5. Solventi e ausiliari più sicuri: usa meno solventi e più sicuri.
  6. Efficienza energetica: conduci le reazioni vicino a temperatura e pressione ambiente.
  7. Materie prime rinnovabili: usa materie prime da biomassa quando possibile.
  8. Riduzione dei derivati: evita gruppi protettori e altri passaggi temporanei.
  9. Catalisi: i catalizzatori sono meglio dei reagenti stechiometrici.
  10. Progettazione per la degradazione: i prodotti dovrebbero degradarsi senza danni dopo l'uso.
  11. Analisi in tempo reale: monitora le reazioni per fermare l'inquinamento prima che si formi.
  12. Prevenzione degli incidenti: scegli sostanze e condizioni che riducono il rischio di incendi, esplosioni e rilasci.

Esempi svolti

Esterificazione

CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O. 60,05 + 46,07 = 106,12 g/mol in ingresso, 88,11 g/mol di estere in uscita.

12,0 g di acido e 11,5 g di etanolo danno 13,2 g di estere (teorico 17,6 g).

AE 83,0%, resa 75,0%, RME 56,2%

Diels-Alder

Ciclopentadiene + anidride maleica → addotto: C₅H₆ + C₄H₂O₃ → C₉H₈O₃.

66,10 + 98,06 = 164,16 g/mol, uguale al prodotto.

AE 100%

Reazione di Wittig

Ph₃P=CH₂ + cicloesanone → metilencicloesano + Ph₃PO.

96,17 / (276,32 + 98,14) × 100. L'ossido di trifenilfosfina (278,29 g/mol) è un rifiuto.

AE 25,7%

Ibuprofene: via Boots (6 passaggi)

Reagenti su tutti i passaggi: C₁₀H₁₄, C₄H₆O₃, C₄H₇ClO₂, C₂H₅ONa, H₃O⁺, NH₂OH e 2H₂O = 515,0 g per 206,3 g di ibuprofene.

AE 40,1%

Ibuprofene: via BHC (3 passaggi)

C₁₀H₁₄ + C₄H₆O₃ + H₂ + CO → C₁₃H₁₈O₂ + CH₃COOH. 266,3 g in ingresso per 206,3 g in uscita.

AE 77,5% (spesso indicata come 77%; circa 99% con recupero dell'acido acetico)

Fattore E e PMI

Esterificazione precedente con 1,0 g di H₂SO₄, 20 g di soluzione di carbonato e un lavaggio con 50 g di acqua: 94,5 g in ingresso, 13,2 g in uscita.

Fattore E completo 6,16, PMI 7,16

Errori comuni

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Domande frequenti

Che cos'è l'economia atomica e come si calcola?

L'economia atomica è la percentuale della massa di tutti i reagenti che finisce nel prodotto desiderato, supponendo una resa del 100%. Economia atomica = (coefficiente × massa molare del prodotto desiderato) / (somma di coefficiente × massa molare di tutti i reagenti) × 100. Per CH3COOH + C2H5OH → CH3COOC2H5 + H2O vale 88,11 / 106,12 × 100 = 83,0%.

Qual è la differenza tra economia atomica e resa percentuale?

L'economia atomica deriva solo dall'equazione bilanciata e indica quanta massa dei reagenti può finire nel prodotto. La resa percentuale si misura in laboratorio e indica quanto prodotto hai ottenuto davvero rispetto alla resa teorica. Una reazione può avere resa del 100% e comunque una bassa economia atomica, come la reazione di Wittig.

Qual è un buon fattore E?

Più basso è, meglio è, e il valore ideale è 0. I valori tipici sono sotto 0,1 per la raffinazione del petrolio, da meno di 1 a 5 per i prodotti chimici di base, da 5 a oltre 50 per la chimica fine e da 25 a oltre 100 per i farmaci. La maggior parte dei rifiuti nella chimica fine e farmaceutica è solvente.

Che relazione c'è tra intensità di massa del processo e fattore E?

Il PMI è la massa totale di tutto ciò che si usa divisa per la massa del prodotto. Il fattore E completo è la massa dei rifiuti divisa per la massa del prodotto. Poiché rifiuti = input totale − prodotto, PMI = fattore E + 1.

Perché la reazione di Diels-Alder ha un'economia atomica del 100%?

È un'addizione: il diene e il dienofilo si uniscono in un solo prodotto e non si perde nulla. Per ciclopentadiene + anidride maleica, 66,10 + 98,06 = 164,16 g/mol, esattamente la massa molare dell'addotto. Anche i riarrangiamenti e la maggior parte delle addizioni arrivano al 100%.

Perché la sintesi BHC dell'ibuprofene è più verde della sintesi Boots?

La via Boots richiede sei passaggi e ha un'economia atomica di circa il 40%. La via BHC richiede tre passaggi catalitici e raggiunge il 77,5%, e circa il 99% quando si recupera il sottoprodotto acido acetico. Produce anche molti meno sali di scarto e usa catalizzatori riciclabili.

Che cos'è l'efficienza di massa della reazione?

L'RME è la massa di prodotto isolato divisa per la massa totale dei reagenti usati, per 100. Combina in un solo numero economia atomica, resa e uso di reagenti in eccesso: RME = economia atomica × resa ÷ fattore di eccesso.

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