Yeşil Kimya Ölçütleri: Atom Ekonomisi, E-Faktörü, PMI ve Tepkime Kütle Verimliliği

Yeşil kimya ölçütleri neyi ölçer

Yeşil kimya, kimyasalları daha az atık, daha az tehlike ve daha az enerjiyle üretmeyi amaçlar. Ölçütler bu amacı yollar arasında karşılaştırabileceğiniz sayılara dönüştürür.

Atom ekonomisi laboratuvara girmeden önce denklemden hesaplanır. Verim, RME, karbon verimliliği, E-faktörü ve PMI ise bir deneyden veya tesisten gerçek kütleler gerektirir.

Formüller

• Atom ekonomisi (%) = (ν × istenen ürünün M'si) / (Σ ν × tüm girenlerin M'si) × 100.
• Yüzde verim (%) = ürünün gerçek kütlesi / teorik kütle × 100. Teorik kütle sınırlayıcı reaktiften gelir.
• Tepkime kütle verimliliği (%) = ürün kütlesi / kullanılan girenlerin toplam kütlesi × 100. Ayrıca RME = atom ekonomisi × verim ÷ aşırılık çarpanı.
• Karbon verimliliği (%) = üründeki karbon molü / girenlerdeki karbon molü × 100.
• E-faktörü = (giren toplam kütle − ürün kütlesi) / ürün kütlesi. Basit E-faktörü çözücüleri ve suyu dışarıda bırakır; tam E-faktörü her şeyi içerir.
• Proses kütle yoğunluğu = giren toplam kütle / ürün kütlesi = tam E-faktörü + 1.

Katalizörler ve çözücüler atom ekonomisinde yer almaz. E-faktöründe ve PMI'da ise yer alırlar.

Yeşil kimya ölçütleri hesaplayıcı nasıl kullanılır

1. Yeşil kimya ölçütleri hesaplayıcısını açın.
2. Denklemi formüllerle Denkleştirilmiş denklem alanına yazın, örneğin C5H6 + C4H2O3 → C9H8O3. Yalnızca formülleri biliyorsanız Denklemi denkleştir'e basın.
3. İstenen ürün'ü seçin. Atom ekonomisi, formüllerden alınan molar kütlelerle hemen görünür.
4. Her girenin Kullanılan kütle (g) değerini ve Elde edilen istenen ürünün kütlesi (g) değerini yazın. Hesaplayıcı sınırlayıcı reaktifi, teorik verimi, yüzde verimi, RME'yi ve karbon verimliliğini bulur.
5. Her çözücü, su yıkaması, reaktif veya katalizör için Malzeme ekle'ye basın ve Tür'ünü ayarlayın. Bu, basit ve tam E-faktörünü ve PMI'yı verir.
6. Esterleşme, Diels-Alder (%100 AE), Wittig tepkimesi, İbuprofen: Boots yolu ve İbuprofen: BHC yolu düğmelerini deneyin.

Çözümlü örnekler

1. Esterleşme: atom ekonomisi %83,0

CH₃COOH + C₂H₅OH → CH₃COOC₂H₅ + H₂O. Molar kütleler: giren 60,05 + 46,07 = 106,12 g/mol, çıkan 88,11 g/mol etil asetat. AE = 88,11 / 106,12 × 100 = %83,0. Kalan %17 su olarak ayrılır.

2. Aynı tepkime laboratuvarda

12,0 g asetik asit (0,200 mol, sınırlayıcı) ve 11,5 g etanol (0,250 mol) 13,2 g ester verir. Teorik verim = 0,1998 × 88,11 = 17,6 g, yani verim %75,0'tır.

RME = 13,2 / 23,5 × 100 = %56,2. Karbon verimliliği = (0,150 mol × 4 C) / (0,200 × 2 + 0,250 × 2) × 100 = %66,7.

1,0 g H₂SO₄, 20 g karbonat çözeltisi ve 50 g su yıkaması ekleyin: toplam girdi 94,5 g. Tam E-faktörü = (94,5 − 13,2) / 13,2 = 6,16 ve PMI = 7,16.

3. Diels-Alder: atom ekonomisi %100

Siklopentadien + maleik anhidrit → katılma ürünü: C₅H₆ + C₄H₂O₃ → C₉H₈O₃. 66,10 + 98,06 = 164,16 g/mol; bu ürünün molar kütlesidir. Her atom üründe sonuçlanır.

4. Wittig tepkimesi: atom ekonomisi %25,7

Ph₃P=CH₂ + siklohekzanon → metilensiklohekzan + Ph₃PO. AE = 96,17 / (276,32 + 98,14) × 100 = %25,7. Ağır yan ürün trifenilfosfin oksit (278,29 g/mol) atıktır. %100 verimde bile kütlenin dörtte üçü kaybedilir.

5. İbuprofen: Boots yolu ve BHC yolu

Boots yolu (1960'lar) altı adım sürer. Reaktifleri 206,3 g ibuprofen başına toplam 515,0 g eder: AE = %40,1.

BHC yolu (1990'lar) üç katalitik adım sürer: C₁₀H₁₄ + C₄H₆O₃ + H₂ + CO → C₁₃H₁₈O₂ + CH₃COOH. Çıkan 206,3 g başına giren 266,3 g: AE = %77,5, sıklıkla %77 olarak verilir. Asetik asit yan ürünü geri kazanılıp satıldığında yararlı atom ekonomisi yaklaşık %99'dur.

Özet tablo

Tipik tam E-faktörleri: petrol rafinasyonu 0,1'in altında, temel kimyasallar 1 ila 5'in altında, ince kimyasallar 5 ila 50'nin üzerinde, ilaçlar 25 ila 100'ün üzerinde.

Yeşil kimyanın 12 ilkesi

1. Atığı arıtmak yerine önleyin.
2. Atom ekonomisini en üst düzeye çıkarın.
3. Daha az tehlikeli sentezler kullanın.
4. Daha güvenli kimyasallar tasarlayın.
5. Daha güvenli çözücüler ve yardımcı maddeler kullanın.
6. Enerji verimliliği için tasarlayın.
7. Yenilenebilir hammaddeler kullanın.
8. Koruyucu gruplar gibi türevleri azaltın.
9. Stokiyometrik reaktifler değil, katalizörler kullanın.
10. Ürünleri kullanımdan sonra bozunacak şekilde tasarlayın.
11. Kirliliği önlemek için gerçek zamanlı analiz yapın.
12. Kazaları önlemek için doğası gereği daha güvenli kimyayı seçin.

Sık yapılan hatalar

• Toplam giren kütlesini değiştiren denkleştirilmemiş bir denklem kullanmak.
• Ürünün katsayısını unutmak, örneğin 2NH₃.
• Atom ekonomisi ile yüzde verimi aynı şey saymak.
• Katalizörleri veya çözücüleri atom ekonomisinin paydasına koymak.
• Çözücülerin ve suyun dahil olup olmadığını belirtmeden bir E-faktörü vermek.
• Teorik verimi aşırı kullanılan reaktiften hesaplamak.

Sınav ipuçları

• A-level (AQA, OCR, Edexcel): atom ekonomisi soruları denkleştirilmiş bir denklem ve Mr değerleri verir. Önce formülü, sonra sayıları gösterin ve yanıtı 3 anlamlı basamakla verin.
• AP Chemistry ve IB: verimi yüksek bir tepkimenin neden yine de israfçı olduğu sorulabilir. Yan ürüne ve düşük atom ekonomisine işaret edin.
• NEET ve JEE: katılma ve çevrilme tepkimelerinin atom ekonomisi %100'dür; yer değiştirmeler ve eliminasyonların değildir.
• PMI = E-faktörü + 1 olduğunu unutmayın. Bu, hesabınız için hızlı bir kontroldür.

İlgili araçlar

İlgili rehberler