Samenvatting voor scheikunde: Atoomeconomie

Wat is atoomeconomie?

Vandaag gaan we berekeningen behandelen die we aanduiden met de term ‘atoomeconomie’. Dit zijn formules met betrekking tot de duurzaamheid van chemische processen. Atoomeconomie heeft te maken met 1 van de 12 principes van groene chemie. Dat is namelijk het principe dat er zo veel mogelijk van de atomen van de beginstoffen die worden gebruikt bij een productieproces in het eindproduct terecht zouden moeten komen, en niet ergens anders. Daarmee wordt bedoeld dat de stoffen zo veel mogelijk worden omgezet, en dat de stoffen dan ook zoveel mogelijk worden omgezet naar het gewenste product in plaats van bijvoorbeeld bijproducten.

De formule van atoomeconomie

Je gebruikt voor de atoomeconomie de reactievergelijking van het proces waarvoor de atoomeconomie berekend wordt. De formule deelt de massa van het gewenste product door de massa van alle beginstoffen samen. Dat laatste is ook wel de totale massa aan stoffen die je kunt zien aan de linkerkant van de reactievergelijking, dus links van de pijl. Je kunt een visuele weergave zien in de video. Het massagetal van de teller is dus het gewenste product en de noemer is de totale massa van de beginstoffen. 

We gaan de breuk nu stap voor stap invullen, maar we maken eerst een andere stap. Natuurlijk moet je namelijk wel eerst deze massagetallen die we in de formule willen invullen berekenen. 

De massa van de gewenste stof reken je uit door de molmassa van de stof te vermenigvuldigen met de coëfficiënt die er in de reactievergelijking bij de stof staat. De massa van de beginstoffen bereken je op dezelfde manier, door de molmassa per beginstof te vermenigvuldigen met de bijbehorende coëfficiënten uit de reactievergelijking. 

Als je deze massagetallen hebt, kun je de breuk onder en boven simpelweg invullen. Zet de gewenste producten bovenaan en de massa van alle beginstoffen samen onderaan. Als volgende stap wordt de breuk vermenigvuldigd met 100. Zo kom je op een percentage uit. Dit percentage is het berekende getal van de atoomeconomie.

We vermenigvuldigen het met 100, omdat we ervan uitgaan dat de reactie aflopend is. Een aflopende reactie is een reactie welke pas stopt zodra alle beginstoffen zijn omgezet. We gaan er dus van uit dat alle beginstoffen volledig zijn omgezet.

Atoomeconomie: de efficiëntie van een reactie 

Door deze berekening kan de atoomeconomie dus weergeven hoe efficiënt het productieproces verloopt in de zin van volledige omzetting. Hoe groter de atoomeconomie, hoe meer van de beginstoffen er is omgezet in het gewenste eindproduct, en dus hoe voordeliger en efficiënter het productieproces.

Atoomeconomie is een veelgebruikt begrip bij groene chemie, waarbij het het doel is om een zo hoog mogelijk percentage atoomeconomie te behalen na een reactie of proces. Zo worden er zo min mogelijk ongewenste en potentieel gevaarlijke bijproducten gecreëerd bij een productieproces, om het milieu te behoeden voor de invloeden van giftige en schadelijke stoffen. Bijproducten zijn producten die in een chemische reactie naast het gewenste product onbedoeld kunnen ontstaan. 

Rendement

De aflopende reactie

Zojuist hebben we de berekening van de atoomeconomie besproken. Je hebt gezien dat we de breuk in de formule van de atoomeconomie maal 100 doen. Dat betekent met andere woorden dat we er vanuit gaan dat de reactie volledig aflopend verloopt. We beschouwen de berekening dus met een rendement van 100%, oftewel met volledige omzetting van alle beginstoffen. Het zogeheten rendement is een handig praktisch begrip om de hoeveelheid die je van iets verkrijgt aan te geven. Je kunt met het rendement berekenen hoeveel van een bepaalde stof er daadwerkelijk ontstaat. 

Het rendement zelf kan ook berekend worden. Deze berekening hoort als het ware bij de atoomeconomie die we net hebben besproken, aangezien de berekeningen beiden te maken hebben met de relatieve omzetting van stoffen in een reactie. 

Het rendement berekenen

Het rendement bereken je opnieuw met een breuk. De onderkant van de breuk, dus de noemer, bestaat uit de opbrengst die je in principe naar verwachting zou kunnen verkrijgen. De opbrengst die je in theorie dus zou moeten kunnen verkrijgen als je enkel kijkt naar de reactievergelijking noemen we de theoretische opbrengst.

De teller aan de bovenkant van de breuk vullen we in met de opbrengst die je vervolgens na de reactie daadwerkelijk hebt verkregen. Deze opbrengst die praktisch gezien in het productieproces is verkregen noemen we dan ook de werkelijke opbrengst. 

Om het rendement te berekenen deel je de werkelijke opbrengst door de theoretische opbrengst en vermenigvuldig je die uitkomst met 100%. Het is goed om je in te zien dat een reactie waarbij de theoretische opbrengst volgens de reactievergelijking ook echt wordt verkregen bijna nooit voorkomt. De breuk is dus vrijwel nooit gelijk aan nul. 

Voorbeeld van het rendement

We hebben een reactie met ijzererts. IJzererts (Fe2O3) kan met koolstof worden omgezet in ijzer en koolstofdioxide: 2 Fe2O3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO2. De vraag is nu om het rendement te berekenen. We berekenen het rendement in dit voorbeeld voor de situatie waarbij er tijdens het proces uit 100 gram ijzererts vervolgens 50 gram ijzer ontstaat. In stappen lopen we door de berekening heen. 

1. We zoeken nu opnieuw eerst de molaire massa’s van alle betrokken stoffen zodat we deze daarna eventueel kunnen omrekenen en invullen in onze breuk.

De molaire massa van ijzererts is 159,7 g/mol. De molaire massa van ijzer is 55,85 g/mol.

2. Nu kunnen we als tussenstap berekenen dat 100 gram ijzererts overeenkomt met 0,626 mol ijzererts. Dat komt doordat je de 100 gram deelt door de molaire massa van ijzererts.

3. We zien in de reactievergelijking dat de molverhouding van ijzererts tot ijzer gelijk staat aan 2 : 4. 

4. Als al het ijzererts reageert, zal er dan dus 0,626 × 2 = 1,25 mol ijzer ontstaan. 

5. Als laatste stap weten we dat als we de 1,25 mol ijzer vermenigvuldigen met de molaire massa van ijzer, we op de hoeveelheid ontstane ijzer in gram komen. Dat komt uit op 70 gram ijzer.

6. Ons rendement komt neer op: Rendement = 50/70 × 100% = 71%

De E-factor

We gaan door naar het volgende en laatste concept: de E-factor. De E-factor is een formule die niet alleen ingaat op de stoffen uit een productieproces. De formule van de E-factor houdt namelijk ook rekening met de directe effecten van een proces op het milieu. E-factor staat dan ook voor ‘Environmental factor’, wat in het Nederlands omgevingsfactor betekent. Het berekenen van de E-factor is een manier om de milieuvriendelijkheid van een productieproces te berekenen. 

De formule van de E-factor

Maar wat doet de formule van de E-factor dan?

Nou, dat gaat als volgt. We hebben opnieuw een breuk. 

Nu gebruiken we echter geen moleculaire berekeningen, zoals we in de vorige twee concepten wel deden. In plaats van de reactievergelijking bijvoorbeeld te gebruiken voor een verwachte theoretische opbrengst, kijken we naar wat er achteraf uit de reactie is uitgekomen. We kijken daarbij op grotere schaal naar de geproduceerde stoffen in zijn geheel.

We gebruiken voor de noemer van de breuk de totale massa, dus niet de molecuulmassa, van de hoeveelheid gewenste stof die er is verkregen uit het productieproces. Nadat je de noemer hebt ingevuld, kijk je naar de teller. Vervolgens haal je de zojuist berekende hoeveelheid gewenste stof af van de totale massa producten. Je berekent dus de aftreksom van de totale massa van alle producten die er zijn verkregen uit het productieproces, minus de massa van de verkregen gewenste stof. Dit is dan ook wel de hoeveelheid “afval” die er in het productieproces ontstaat. Deze aftreksom vul je in aan de bovenkant als teller in in de breuk. 

Nu is de formule van de E-factor compleet. De breuk weergeeft in andere woorden de hoeveelheid verkregen afval uit de reactie gedeeld door de verkregen massa gewenst product. De E-factor berekent de hoeveelheid afval per kilo product.