Chemie · Klasse 11–13 · aktualisiert
Atomökonomie berechnen und richtig bewerten
Berechne die Atomökonomie einer Reaktion und prüfe, was sie über die Nachhaltigkeit aussagt.
0 von 9 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Die Atomökonomie gibt an, welcher Anteil der nach Reaktionsgleichung eingesetzten Masse im gewünschten Produkt landen kann. Sie berücksichtigt die Koeffizienten und ist eine theoretische Kennzahl: Hohe Atomökonomie beweist noch keine nachhaltige Herstellung.
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.
Deine Lernziele
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3 Abschnitte
Die Atomökonomie beschreibt die theoretische Massenverteilung einer ausgeglichenen Reaktion. Die Zahl vor jeder Stoffformel ist ihr Koeffizient: Sie gibt an, wie oft ihre Molmasse in die Rechnung eingeht.
Mit M_\mathrm{Ziel} als gewichteter Molmasse des gewünschten Produkts und M_\mathrm{Edukte} als Summe aller gewichteten Eduktmolmassen gilt:
AE=\frac{M_\mathrm{Ziel}}{M_\mathrm{Edukte}}\cdot100\,\%
Bei AE=100\,\% befinden sich alle Atome der Edukte im Zielprodukt. Eine Additionsreaktion wie die Diels-Alder-Reaktion, bei der sich zwei Moleküle vollständig zu einem Produkt verbinden, kann diesen Idealfall erreichen.
Definition
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.
Merke: Die Atomökonomie beurteilt den Bauplan einer Reaktion, nicht das Ergebnis eines realen Versuchs.
Teste dich
Gleiche zuerst die Reaktionsgleichung aus und lege das gewünschte Produkt fest. Multipliziere jede Molmasse mit ihrem Koeffizienten. Die gewichtete Molmasse des Zielprodukts gehört in den Zähler; die Summe aller gewichteten Molmassen der Edukte gehört in den Nenner.
Bei mehreren Reaktionsschritten zählt die Gesamtbilanz. Ein schematischer Weg mit Zwischenprodukten P und Q kann so aussehen:
\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
Die Buchstaben stehen für Stoffe, \nu für den jeweiligen Koeffizienten. Nur A, B, C und D werden von außen zugeführt. P und Q entstehen im Weg und werden weiterverarbeitet; sie erneut zu zählen würde ihre Atome doppelt erfassen. R ist das Zielprodukt, X, Y und Z sind Nebenprodukte. Nach der Massenerhaltung senken deren Atome die Atomökonomie für R.
Beispiel
- 1Beim Hock-Verfahren reagieren Benzol, Propen und Sauerstoff; Phenol und Aceton entstehen. Hier wird nur Phenol bewertet. Die Koeffizienten der drei Edukte und des Phenols sind jeweils 1.
- 2Für die Aufgabe sind genauere Molmassen vorgegeben: Benzol 78{,}11\,\mathrm{g/mol}, Propen 42{,}08\,\mathrm{g/mol}, Sauerstoff 32{,}00\,\mathrm{g/mol}, Phenol 94{,}11\,\mathrm{g/mol} und Aceton 58{,}08\,\mathrm{g/mol}.
- 3Die gewichtete Eduktsumme beträgt 78{,}11+42{,}08+32{,}00=152{,}19\,\mathrm{g/mol}.
- 4Für Phenol gilt: AE=\frac{94{,}11}{152{,}19}\cdot100\,\% AE\approx61{,}84\,\% Das sind rund 62\,\%. Aceton ist hier ein Kuppelprodukt, also ein zwangsläufig mitentstehendes, ebenfalls nutzbares Produkt. Es zählt nicht zum Zähler.
Beispiel: Vier Schritte zur Rechnung
- 1Gleiche die Reaktionsgleichung aus.
- 2Markiere das gewünschte Produkt.
- 3Multipliziere jede Molmasse mit ihrem stöchiometrischen Koeffizienten.
- 4Setze die gewichtete Produktmasse in den Zähler und alle gewichteten Reaktantenmassen in den Nenner.
Teste dich
Eine hohe Atomökonomie zeigt, dass nach der Gleichung wenig Eduktmasse in Nebenprodukten landet. Das kann Entsorgungsaufwand und Kosten senken.
Die Kennzahl beschreibt aber keinen realen Versuch. Sie erfasst weder tatsächlich erreichte Ausbeute und Abfallmenge noch Lösungsmittel, Filterhilfen, Toxizität, Sicherheit, biologische Abbaubarkeit, Energiebedarf, Rohstoffherkunft oder Produktlebenszyklus. Die Tabelle trennt Atomökonomie, Ausbeute und E-Faktor.
Auch die Wahl des Zielprodukts verändert die Bewertung: Beim Hock-Verfahren ist Aceton ein Kuppelprodukt. Wird es sinnvoll genutzt und zusammen mit Phenol als Ziel des Produktsystems betrachtet, fällt die Bewertung günstiger aus als bei Phenol allein.
| 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? |
Merke: Hohe Atomökonomie ist ein Vorteil, aber kein vollständiges Nachhaltigkeitsurteil.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Atomökonomie
Berechnung
gewichtete Zielproduktmasse durch gewichtete Eduktmasse
Voraussetzung
Reaktionsgleichung ausgleichen und Zielprodukt festlegen
Gewichtung
Koeffizienten vor den Stoffformeln beachten
Mehrstufig
intern gebildete Zwischenprodukte nicht doppelt zählen
Aussage
theoretische Massenverteilung, keine Gesamtbilanz der Nachhaltigkeit
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Wasser als einziges Zielprodukt
- 1Die ausgeglichene Reaktion lautet:
- 2\ce{2 H2 + O2 -> 2 H2O}
- 3Mit Schulwerten H = 1\,\mathrm{g/mol} und O = 16\,\mathrm{g/mol} gilt: Zwei Mol Wasserstoff wiegen zusammen 4\,\mathrm g; ein Mol Sauerstoff wiegt 32\,\mathrm g.
- 4Zwei Mol Wasser wiegen zusammen 36\,\mathrm g. Alle Eduktatome gelangen hier ins Zielprodukt.
- 5AE=\frac{36\,\mathrm g}{36\,\mathrm g}\cdot100\,\%=100\,\%
Fehler finden
Atomökonomie für Calciumoxid prüfen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Im Calciumcarbonat stehen drei Sauerstoffatome. Richtig ist M(\ce{CaCO3})=100\,\mathrm{g/mol}; mit M(\ce{CaO})=56\,\mathrm{g/mol} beträgt die Atomökonomie 56\,\%.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Die Atomökonomie ist eine Kennzahl. Im Zähler steht die gewichtete Molmasse des . Ein Wert von 100\,\% bedeutet, dass alle Reaktantenatome im vorkommen.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback