Inleiding
Atoomeconomie is een fundamenteel begrip in de groene chemie en speelt een cruciale rol bij het bepalen van de duurzaamheid van chemische productieprocessen. Het geeft aan hoe efficiënt de beginstoffen worden omgezet in het gewenste eindproduct, en daarmee hoeveel afval er ontstaat. Een hogere atoomeconomie betekent dat minder ongewenste bijproducten worden geproduceerd, wat gunstig is voor zowel de milieuimpact als de kosten van het productieproces.
In dit artikel zullen we de theorie van de atoomeconomie uitleggen, de stappen om deze te berekenen bespreken, en een aantal voorbeelden geven van hoe deze toepassing vindt in praktische chemische reacties. Bovendien zullen we laten zien hoe belangrijk het is om in te zien dat een efficiënt proces niet alleen goed is voor het milieu, maar ook voor de economische haalbaarheid van een chemisch product.
Wat is atoomeconomie?
Atoomeconomie is een maat voor de efficiëntie van een chemische reactie. Het wordt berekend door de massa van het gewenste product te delen door de totale massa van de beginstoffen, vermenigvuldigd met 100%. De formule is:
$$ \text{atoomeconomie} = \frac{\text{massa van het gewenste product}}{\text{massa van de beginstoffen}} \times 100\% $$
De atoomeconomie wordt uitgedrukt in procenten en geeft aan hoeveel van de oorspronkelijke massa van de beginstoffen daadwerkelijk terechtkomt in het gewenste product. De rest van de massa is afval, dat niet in het gewenste product terechtkomt en vaak niet herwinbaar is of moeilijk te hergebruiken is. De doelstelling is om de atoomeconomie zo hoog mogelijk te houden, omdat dit betekent dat er minder afval ontstaat, wat gunstig is voor zowel milieu- als kostenefficiëntie.
De stappen bij het berekenen van de atoomeconomie
Om de atoomeconomie van een chemische reactie te berekenen, zijn er meerdere stappen die je kunt volgen. Deze worden beschreven in de bronnen en kunnen worden samengevat als volgt:
1. Stel de reactievergelijking op
De eerste stap is om de chemische reactievergelijking correct op te stellen. Dit betekent dat je moet weten welke stoffen de beginstoffen zijn en welke het gewenste product is. Een correcte chemische vergelijking is essentieel voor het verder uitvoeren van de berekening.
Bijvoorbeeld, in de reactie:
$$ \mathrm{H2SiF6 + Al2O3 \cdot 3H2O \rightarrow 2 \ AlF3 + SiO2 + 4 \ H2O} $$
is het gewenste product aluminiumfluoride (AlF₃). De beginstoffen zijn hexafluorkiezelzuur (H₂SiF₆) en aluminiumoxidetrihydraat (Al₂O₃·3H₂O).
2. Bereken de molecuulmassa’s van de beginstoffen
In deze stap bereken je de molecuulmassa van elk van de beginstoffen. Dit doe je door de atoommassa’s van de individuele elementen in de stof op te tellen. Deze atoommassa’s zijn meestal te vinden in BINAS (Binas Tabel 98 en 99).
Voor hexafluorkiezelzuur (H₂SiF₆):
$$ \mathrm{M(H2SiF6)} = 2 \cdot 1,008 + 28,09 + 6 \cdot 19,00 = 144,106 \ \mathrm{u} $$
Voor aluminiumoxidetrihydraat (Al₂O₃·3H₂O):
$$ \mathrm{M(Al2O3 \cdot 3H_2O)} = 101,96 + 3 \cdot 18,015 = 156,005 \ \mathrm{u} $$
3. Bereken de totale massa van de beginstoffen
De totale massa van de beginstoffen wordt berekend door de molecuulmassa’s van de individuele beginstoffen te vermenigvuldigen met hun coëfficiënten in de reactievergelijking. Vervolgens tel je deze op.
Voor deze reactie:
$$ \mathrm{massa\ beginstoffen} = 1 \cdot 144,106 + 1 \cdot 156,005 = 300,111 \ \mathrm{u} $$
4. Bereken de molecuulmassa van het gewenste product
Vervolgens bereken je de molecuulmassa van het gewenste product. In dit geval is dat aluminiumfluoride (AlF₃):
$$ \mathrm{M(AlF_3)} = 26,98 + 3 \cdot 19,00 = 83,98 \ \mathrm{u} $$
Aangezien er twee mol AlF₃ wordt geproduceerd, vermenigvuldig je dit getal met 2:
$$ \mathrm{massa\ gewenst\ product} = 2 \cdot 83,98 = 167,96 \ \mathrm{u} $$
5. Vul de waarden in in de formule
Nu kun je de waarden invullen in de formule voor atoomeconomie:
$$ \mathrm{atoomeconomie} = \frac{167,96}{300,111} \cdot 100\% = 55,966\% $$
Deze atoomeconomie is lager dan 100%, wat betekent dat er ruim 44% van de oorspronkelijke massa als afval terechtkomt.
Voorbeeldberekening: Aspirineproductie
Een ander voorbeeld van een chemische reactie waarbij atoomeconomie wordt berekend, is de productie van aspirine. In deze reactie reageert salicylzuur met azijnzuuranhydride om aspirine en azijnzuur te vormen.
De reactievergelijking is:
$$ \mathrm{C7H6O3 + C4H6O3 \rightarrow C9H8O4 + CH3COOH} $$
De molecuulmassa van salicylzuur (C₇H₆O₃) is:
$$ \mathrm{M(C7H6O_3)} = 7 \cdot 12,01 + 6 \cdot 1,008 + 3 \cdot 16,00 = 138,118 \ \mathrm{u} $$
De molecuulmassa van azijnzuuranhydride (C₄H₆O₃) is:
$$ \mathrm{M(C4H6O_3)} = 4 \cdot 12,01 + 6 \cdot 1,008 + 3 \cdot 16,00 = 102,088 \ \mathrm{u} $$
De totale massa van de beginstoffen is:
$$ \mathrm{massa\ beginstoffen} = 138,118 + 102,088 = 240,206 \ \mathrm{u} $$
De molecuulmassa van aspirine (C₉H₈O₄) is:
$$ \mathrm{M(C9H8O_4)} = 9 \cdot 12,01 + 8 \cdot 1,008 + 4 \cdot 16,00 = 180,156 \ \mathrm{u} $$
De atoomeconomie wordt dan:
$$ \mathrm{atoomeconomie} = \frac{180,156}{240,206} \cdot 100\% = 75,00\% $$
Deze waarde is relatief hoog, wat aangeeft dat een aanzienlijk deel van de oorspronkelijke massa terechtkomt in het gewenste product.
Toepassing in de industrie
In de chemische industrie is het begrip atoomeconomie van groot belang. Het helpt chemici en ingenieurs om efficiëntere productieprocessen te ontwikkelen. Een hogere atoomeconomie betekent dat minder afval ontstaat, wat gunstig is voor zowel milieu- als kostenefficiëntie.
Een bekend voorbeeld uit de praktijk is de productie van titaan uit titaan(IV)oxide en magnesium. De reactievergelijking is:
$$ \mathrm{TiO_2 + 2 \ Mg \rightarrow Ti + 2 \ MgO} $$
De molecuulmassa van titaan(IV)oxide is 79,87 g/mol, die van magnesium is 24,31 g/mol, en die van titaan is 47,87 g/mol.
De atoomeconomie wordt berekend als:
$$ \mathrm{atoomeconomie} = \frac{47,87}{79,87 + 2 \cdot 24,31} \cdot 100\% = 37\% $$
Hoewel deze waarde vrij laag is, is het een illustratief voorbeeld van hoe atoomeconomie wordt toegepast in industriële chemie. In dit geval is de atoomeconomie laag, maar het proces is nog steeds relevant omdat titaan een waardevolle metaal is.
Waarom atoomeconomie belangrijk is voor duurzame chemie
In de groene chemie speelt atoomeconomie een centrale rol. Het is een van de maatstaven die worden gebruikt om te bepalen of een proces duurzaam is. Een hogere atoomeconomie betekent dat er minder ongewenste bijproducten worden geproduceerd, wat positief is voor het milieu. Daarnaast leidt een efficiënter proces tot lagere kosten, omdat minder grondstoffen nodig zijn en minder afval moet worden behandeld.
Bijvoorbeeld in een proces waarbij aluminiumbromide wordt gemaakt uit aluminium en waterstofbromide, is de atoomeconomie 98,87%. Dit is zeer hoog, wat betekent dat vrijwel alle beginstoffen terechtkomen in het gewenste product.
$$ \mathrm{atoomeconomie} = 98,87\% $$
Dit is een voorbeeld van een proces dat efficiënt is en dus gunstig is voor zowel milieu- als kostenefficiëntie.
Uitdagingen en beperkingen van atoomeconomie
Ondanks de voordelen van het gebruik van atoomeconomie als maatstaf, zijn er ook beperkingen. Een belangrijke beperking is dat atoomeconomie alleen gericht is op de massa-efficiëntie. Het zegt niets over de energie-efficiëntie van een proces of de milieubelasting van de bijproducten. Daarom wordt atoomeconomie vaak gecombineerd met andere maatstaven, zoals E-factor en rendement, om een completer beeld te krijgen van de duurzaamheid van een proces.
Bijvoorbeeld, in een proces waarbij magnesiumchloride wordt gemaakt uit magnesiumhydroxide en waterstofchloride, is de atoomeconomie 72,546%. Dit is relatief hoog, maar het proces produceert ook water, dat niet in het gewenste product terechtkomt.
$$ \mathrm{atoomeconomie} = 72,546\% $$
Hoewel de atoomeconomie hier relatief hoog is, is het proces nog steeds verbeterbaar. Het gebruik van alternatieve reacties of het hergebruik van bijproducten kan leiden tot een hogere efficiëntie.
Samenvatting
Atoomeconomie is een belangrijk begrip in de groene chemie. Het geeft aan hoe efficiënt de beginstoffen worden omgezet in het gewenste product. Een hogere atoomeconomie betekent dat er minder afval ontstaat, wat gunstig is voor zowel milieu- als kostenefficiëntie.
De berekening van atoomeconomie gebeurt in meerdere stappen: het opstellen van de reactievergelijking, het berekenen van de molecuulmassa’s van de beginstoffen en het gewenste product, en het invullen van de waarden in de formule. Deze methode kan worden toegepast op een groot aantal chemische reacties, zoals de productie van aspirine, aluminiumbromide, en titaan.
Toepassing van atoomeconomie in de industrie helpt bij het ontwikkelen van efficiëntere en duurzaamere productieprocessen. Echter, het is belangrijk om te beseffen dat atoomeconomie slechts één maatstaf is in de groene chemie. Het moet worden gecombineerd met andere maatstaven om een compleet beeld te krijgen van de duurzaamheid van een proces.
Door het begrip van atoomeconomie en het toepassen van deze kennis in de praktijk, kunnen chemici en ingenieurs bijdragen aan een duurzamere toekomst.