5.4: Вихід і економіка атомів в хімічних реакціях

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18727

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Фундаментальною концепцією, основою для зеленої хімії, яка може бути проілюстрована хімічними реакціями, є відмінність між урожайністю та економікою атомів. У розділі 2 вихід був визначений як відсоток від ступеня, до якого хімічна реакція або синтез йде до завершення, а атомна економія була визначена як частка реагентів, що йдуть в кінцеві продукти. Ці дві ідеї проілюстровані тут для отримання газу HCl, який, розчинений у воді, виробляє соляну кислоту. Існує кілька способів, за допомогою яких HCl можна приготувати. Однією з таких зазвичай використовуваних в лабораторії є реакція концентрованої сірчаної кислоти, H ₂ SO ₄, зі звичайною кухонною сіллю, NaCl, що супроводжується нагріванням для відганяти летючі пари HCl:

\[\ce{2NaCl(s) + H2SO4(l) \rightarrow 2HCl(g) + Na2SO4(s)}\]

Цю реакцію можна виконати так, щоб всі NaCl і H ₂ SO ₄ реагували, що дає 100% вихід. Але він виробляє _{побічний продукт Na 2} SO ₄, тому економія атомів менше 100%. Відсоток атомної економіки обчислюється дуже просто співвідношенням

\[\textrm{Percent atom economy} = \frac{\textrm{Mass of desired product}}{\textrm{Total mass of product}} \times 100\]

(Ми могли б так само розділити на загальну масу реагентів, оскільки в хімічній реакції вона дорівнює загальній масі продуктів.) У цьому випадку маса потрібного продукту дорівнює 2 HCl, а загальна маса продукту - 2HCl+ Na ₂ SO ₄. З огляду на атомні маси Н 1,0, Cl 35,5, Na 23,0, а O 16,0 дає наступне:

\[\textrm{Mass of desired product} = 2 \times (1.0 + 35.5) =73.0\]

\[\textrm{Total mass product} = 2 \times (1.0 + 35.5) + (2 \times 23.0 + 32.0 + 4 \times 16.0) = 215\]

\[\textrm{Percent atom economy} = \frac{73.0}{215} \times 100 = 34.0\%\]

Цей результат показує, що навіть при 100% виході реакція є лише 34,0% атома економічною, і якби її використовували як засіб для приготування HCl великої кількості Na ₂ SO ₄, матеріалу з обмеженим значенням, було б вироблено. На відміну від цього, пряма реакція газоподібного водню з газом хлору для отримання газу HCl,

\[\ce{H2(g) + Cl2(g) \rightarrow 2HCl (g)}\]

може здійснюватися зі 100% економією атомів, якщо всі Н ₂ реагують з Cl ₂. Відходів побічного продукту немає.