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Atomökonomie berechnen und richtig bewerten
Die Atomökonomie zeigt, welcher Massenanteil aller stöchiometrisch eingesetzten Reaktanten im gewünschten Produkt landet. Ein hoher Wert bedeutet wenig theoretisch unvermeidbare Nebenproduktmasse – aber noch keine insgesamt nachhaltige Reaktion.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Woran erkennst du Atomökonomie?
Atomökonomie
Die Atomökonomie, auch Atomeffizienz genannt, ist eine theoretische Massenkennzahl. Sie gibt in Prozent an, welcher Anteil der stöchiometrisch eingesetzten Reaktantenmasse zum gewünschten Produkt gehört.
Die Grundformel lautet:
$$AE = \frac{\text{stöchiometrisch gewichtete Molmasse des gewünschten Produkts}}{\text{Summe der stöchiometrisch gewichteten Molmassen aller Reaktanten}} \cdot 100\,\%$$
Stöchiometrisch gewichtet bedeutet: Du multiplizierst jede Molmasse mit dem Koeffizienten vor dem Stoff in der ausgeglichenen Reaktionsgleichung.
Bei $AE=100\,\%$ befinden sich alle Atome der Reaktanten im gewünschten Produkt. Eine Diels-Alder-Reaktion kann diesen Idealfall erreichen, weil alle Eduktatome in das Produkt eingehen.
Die Atomökonomie beurteilt den Bauplan einer Reaktion, nicht das Ergebnis eines realen Versuchs.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Die Atomökonomie ist eine Kennzahl. Im Zähler steht die gewichtete Molmasse des . Ein Wert von $100\,\%$ bedeutet, dass alle Reaktantenatome im vorkommen.
Wie berechnest du die Atomökonomie?
Gehe immer in vier Schritten vor:
- Gleiche die Reaktionsgleichung aus.
- Markiere das gewünschte Produkt.
- Multipliziere jede Molmasse mit ihrem stöchiometrischen Koeffizienten.
- Setze die gewichtete Produktmasse in den Zähler und alle gewichteten Reaktantenmassen in den Nenner.
Beim Hock-Verfahren werden Benzol, Propen und Sauerstoff eingesetzt. Es entstehen Phenol und Aceton. Hier soll nur Phenol bewertet werden.
Die stöchiometrischen Koeffizienten sind jeweils $1$. Gegeben sind:
- Benzol: $78{,}11\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
- Propen: $42{,}08\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
- Sauerstoff: $31{,}98\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
- Phenol: $94{,}11\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$
Zuerst addierst du alle Reaktantenmassen:
$$78{,}11 + 42{,}08 + 31{,}98 = 152{,}17\,\mathrm{g\,mol^{-1}}$$
Dann setzt du die Molmasse des gewünschten Phenols in den Zähler:
$$AE = \frac{94{,}11}{152{,}17} \cdot 100\,\% = 61{,}85\,\%$$
Gerundet beträgt die Atomökonomie für Phenol etwa $62\,\%$. Aceton entsteht zwar ebenfalls, zählt in dieser Rechnung aber nicht als gewünschtes Produkt.
Was gilt bei mehrstufigen Synthesen?
Eine Synthese kann über Zwischenprodukte laufen. Entscheidend ist dann die Gesamtbilanz von den extern eingesetzten Ausgangsstoffen bis zum gewünschten Endprodukt.
Für die Reaktionsfolge
$$\nu_A A+\nu_B B\rightarrow\nu_P P+\nu_X X$$
$$\nu_P P+\nu_C C\rightarrow\nu_Q Q+\nu_Y Y$$
$$\nu_Q Q+\nu_D D\rightarrow\nu_R R+\nu_Z Z$$
gilt:
$$AE = \frac{M(\nu_R R)}{M(\nu_A A)+M(\nu_B B)+M(\nu_C C)+M(\nu_D D)}\cdot100\,\%$$
$P$ und $Q$ sind Zwischenprodukte: Sie entstehen innerhalb der Reaktionsfolge und werden dort weiterverarbeitet. Deshalb zählst du sie nicht noch einmal als externe Reaktanten. Die Ausgangsstoffe $A$, $B$, $C$ und $D$ gehören dagegen in den Nenner.
Der Massenerhaltungssatz hilft beim Prüfen: Die gewichtete Masse der Ausgangsstoffe entspricht der Masse von Ziel- und Nebenprodukten. Atome in $X$, $Y$ und $Z$ fehlen daher im Zielprodukt und senken seine Atomökonomie.
Was sagt die Kennzahl aus – und was nicht?
Eine hohe Atomökonomie zeigt, dass wenig Reaktantenmasse stöchiometrisch in Nebenprodukten landet. Das kann Entsorgungsaufwand und Kosten senken. Die Kennzahl ist deshalb ein wichtiges Prinzip der Grünen Chemie.
Sie bleibt jedoch eine theoretische Betrachtung. Sie erfasst nicht automatisch:
- die tatsächlich erreichte Ausbeute,
- Lösungsmittel, Filterhilfen und andere Hilfsstoffe,
- die wirkliche Abfallmenge des Prozesses,
- Toxizität, Sicherheit und biologische Abbaubarkeit,
- Energiebedarf, Rohstoffherkunft und Produktlebenszyklus.
Drei Kennzahlen beantworten deshalb verschiedene Fragen:
| Kennzahl | Zentrale Frage |
|---|---|
| Atomökonomie | Welcher Anteil der Reaktantenmasse kann theoretisch im Zielprodukt landen? |
| Ausbeute | Wie viel Zielprodukt wurde tatsächlich im Verhältnis zur theoretisch möglichen Menge erhalten? |
| E-Faktor | Wie viel Nebenprodukt und Abfall fällt im Verhältnis zur real erhaltenen Produktmasse an? |
Auch die Festlegung des Zielprodukts beeinflusst die Bewertung. Beim Hock-Verfahren ist Aceton ein Kuppelprodukt. Wird es sinnvoll genutzt und als gewünschtes Produkt des Produktsystems betrachtet, fällt die Bewertung günstiger aus als bei der alleinigen Betrachtung von Phenol.
Hohe Atomökonomie ist ein Vorteil, aber kein vollständiges Nachhaltigkeitsurteil.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Atomökonomie
- Berechnung: Zielproduktmasse geteilt durch Reaktantenmassen
- Voraussetzung: ausgeglichene Reaktionsgleichung
- Gewichtung: stöchiometrische Koeffizienten beachten
- Mehrstufig: nur externe Ausgangsstoffe zählen
- Idealfall: alle Reaktantenatome im Zielprodukt
- Aussage: theoretische Massenverteilung
- Grenze: kein vollständiges Nachhaltigkeitsurteil