Calculateur d'économie atomique
Données
| Masse molaire du produit désiré | 100 g/mol |
|---|---|
| Masse molaire totale de tous les réactifs | 180 g/mol |
Calculateur d'économie atomique
Calculer l'économie atomique d'une réaction — le pourcentage de la masse des réactifs qui se retrouve dans le produit désiré — à l'aide des masses molaires multipliées par les coefficients stœchiométriques.
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Détails
Cette réaction présente une faible économie atomique — moins de 50 % de la masse des réactifs devient le produit désiré. Une grande fraction des matières premières est perdue en sous-produits, ce qui augmente les déchets et les coûts.
Comprendre l'économie atomique
L'économie atomique mesure l'efficacité avec laquelle une réaction chimique utilise ses matières premières. Introduite par Barry Trost en 1991, elle fait partie des douze principes de la chimie verte. Plutôt que de se demander uniquement si une réaction fonctionne, l'économie atomique demande quelle fraction de la masse engagée devient effectivement le produit désiré et quelle fraction est perdue en déchets.
Une réaction qui convertit la quasi-totalité de ses réactifs en molécule cible est intrinsèquement plus propre et moins coûteuse à exploiter qu'une réaction qui en élimine la majeure partie en sous-produits, indépendamment du soin apporté à l'expérience.
La formule de l'économie atomique
Eˊconomie atomique=MreˊactifsMproduit×100%où :
- est la masse molaire du produit désiré multipliée par son coefficient stœchiométrique
- est la somme de (masse molaire × coefficient stœchiométrique) pour chaque réactif dans l'équation équilibrée
La fraction de déchets en découle directement :
W=100%−Eˊconomie atomique| Grandeur | Signification |
|---|---|
| Masse molaire pondérée stœchiométriquement du produit désiré (g/mol) | |
| Masse molaire pondérée stœchiométriquement totale de tous les réactifs (g/mol) | |
| Économie atomique | Fraction de la masse des réactifs incorporée dans le produit (%) |
| Fraction de déchets | Fraction de la masse des réactifs perdue en sous-produits (%) |
Exemple résolu
Considérons la synthèse de l'éthanol par hydratation de l'éthylène :
C2H4+H2O→C2H5OHLes masses molaires des réactifs sont 28,05 g/mol (éthylène) et 18,02 g/mol (eau), soit un total de 46,07 g/mol. Le produit éthanol a une masse molaire de 46,07 g/mol.
MreˊactifsMproduitEˊconomie atomique=28,05+18,02=46,07 g/mol=46,07 g/mol=46,0746,07×100%=100%Il s'agit d'une réaction d'addition — chaque atome des réactifs se retrouve dans le produit — donc l'économie atomique est de 100 %.
En comparaison, la synthèse de Grignard d'un alcool utilise des réactifs, un solvant et produit un sel de magnésium comme sous-produit. La masse perdue abaisse l'économie atomique bien en dessous de 100 % même si l'alcool désiré peut être isolé avec un rendement élevé.
Économie atomique et rendement en pourcentage
Ces deux indicateurs mesurent des choses différentes :
| Économie atomique | Rendement en pourcentage | |
|---|---|---|
| Ce qu'elle mesure | Quelle fraction de la masse des réactifs peut devenir produit | Quelle fraction du produit possible a été obtenue |
| Dépend de | L'équation équilibrée uniquement | Les conditions expérimentales |
| Peut atteindre 100 % | Oui, pour les réactions d'addition/réarrangement | Oui, en principe |
| Reflète les déchets dus aux sous-produits | Oui | Non |
Une réaction peut avoir un rendement de 95 % mais une économie atomique de 20 % — signifiant qu'un cinquième seulement des matières premières a contribué au produit, même si la quasi-totalité du produit théorique a été recueillie. Les deux indicateurs ensemble donnent une image plus complète de l'efficacité.
Types de réactions classés par économie atomique
Les réactions d'addition combinent tous les réactifs en un seul produit, de sorte que leur économie atomique est toujours de 100 %. Les réactions de réarrangement réorganisent les atomes au sein d'une molécule et atteignent également 100 %. Les réactions de substitution produisent un sous-produit aux côtés de la molécule désirée, donnant une économie atomique entre 0 % et 100 % selon les masses molaires relatives. Les réactions d'élimination expulsent une petite molécule — souvent de l'eau ou HX — comme déchet, donnant généralement des économies atomiques modérées. Les synthèses en plusieurs étapes multiplient les inefficacités de chaque étape, de sorte qu'une longue voie de synthèse passant par plusieurs transformations à faible économie atomique peut gaspiller la majorité des matières premières même lorsque le rendement individuel de chaque étape est acceptable.
Implications pratiques
Le coût des matières premières est proportionnel à la masse de réactifs achetés, et non à la masse de produit collecté. Lorsque l'économie atomique est faible, la réaction consomme davantage de matières premières et génère davantage de déchets, ce qui augmente les coûts. L'élimination des déchets — en particulier des sous-produits dangereux — peut dépasser le coût des matières premières elles-mêmes. Pour les procédés industriels, améliorer l'économie atomique de quelques points seulement, sur des millions de kilogrammes de produit par an, se traduit par des économies substantielles et une empreinte environnementale réduite.
Questions fréquentes (FAQ)
Quelle est la formule de l'économie atomique ?
Économie atomique = (masse molaire du produit désiré ÷ masse molaire totale de tous les réactifs) × 100 %. Chaque masse molaire est d'abord multipliée par son coefficient stœchiométrique dans l'équation équilibrée. Par exemple, si une réaction utilise 180 g/mol de réactifs et produit 100 g/mol du produit voulu, l'économie atomique est (100 ÷ 180) × 100 % ≈ 55,6 %.
En quoi l'économie atomique diffère-t-elle du rendement en pourcentage ?
L'économie atomique est une mesure théorique de la fraction de la masse des matières premières qui peut, en principe, se retrouver dans le produit désiré — elle dépend uniquement de l'équation équilibrée, et non des conditions opératoires. Le rendement en pourcentage mesure quelle fraction du produit théoriquement possible a effectivement été obtenue lors d'une expérience spécifique. Une réaction peut avoir un rendement élevé mais une faible économie atomique si l'équation équilibrée elle-même génère de grandes quantités de sous-produits.
Pourquoi l'économie atomique est-elle importante en chimie verte ?
L'économie atomique est l'un des douze principes de la chimie verte, introduits par Trost en 1991. Elle quantifie les déchets à l'échelle moléculaire : chaque atome qui ne se retrouve pas dans le produit désiré doit être éliminé, traité ou recyclé, ce qui engendre des coûts et une consommation d'énergie, ainsi qu'un impact environnemental. Les réactions à haute économie atomique réduisent la consommation de matières premières, diminuent les coûts d'élimination des déchets et réduisent l'empreinte environnementale globale d'un procédé chimique.
Quels types de réactions ont une économie atomique élevée ou faible ?
Les réactions d'addition, où deux molécules ou plus se combinent pour former un seul produit sans atome résiduel, ont l'économie atomique maximale possible de 100 %. Les réactions de réarrangement tendent également à être proches de 100 %. Les réactions de substitution produisent un produit et un sous-produit, donnant une économie atomique inférieure à 100 % qui dépend des masses molaires en jeu. Les réactions d'élimination, qui expulsent une petite molécule telle que l'eau, ont généralement une économie atomique modérée. Les synthèses en plusieurs étapes cumulent les pertes de chaque étape, de sorte qu'une longue voie de synthèse passant par des transformations à faible économie atomique peut gaspiller la majorité des matières premières.
Recommandations
Calcul du rendement (pourcentage)
Calculer le rendement en pourcentage à partir du rendement réel et du rendement théorique, ou trouver l'un des deux. Rendement = (réel ÷ théorique) × 100.