5.4: Rendimiento y economía atómica en reacciones químicas

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Un concepto fundamental básico de la química verde que puede ser ilustrado por las reacciones químicas es la distinción entre rendimiento y economía atómica. En el Capítulo 2 el rendimiento se definió como un porcentaje del grado en que una reacción química o síntesis va a completarse y la economía atómica se definió como la fracción de reactivos que van a los productos finales. Estas dos ideas se ilustran aquí para la preparación de gas HCl que, disuelto en agua, produce ácido clorhídrico. Hay varias formas en las que se puede preparar HCl. Uno de estos comúnmente utilizados en el laboratorio es la reacción de ácido sulfúrico concentrado, H ₂ SO ₄, con sal de mesa común, NaCl, acompañada de calentamiento para expulsar el vapor de HCl volátil:

\[\ce{2NaCl(s) + H2SO4(l) \rightarrow 2HCl(g) + Na2SO4(s)}\]

Esta reacción se puede realizar de manera que todos los NaCl y H ₂ SO ₄ reaccionen, lo que da un rendimiento del 100%. Pero produce Na ₂ SO ₄ subproducto, por lo que la economía atómica es inferior al 100%. El porcentaje de economía atómica se calcula de manera muy simple por la relación

\[\textrm{Percent atom economy} = \frac{\textrm{Mass of desired product}}{\textrm{Total mass of product}} \times 100\]

(También podríamos dividir por la masa total de reactivos ya que en una reacción química es igual a la masa total de productos). En este caso, la masa del producto deseado es la de 2 HCl y la masa total del producto es la de 2HCl + Na ₂ SO ₄. Dadas las masas atómicas H 1.0, Cl 35.5, Na 23.0 y O 16.0 da lo siguiente:

\[\textrm{Mass of desired product} = 2 \times (1.0 + 35.5) =73.0\]

\[\textrm{Total mass product} = 2 \times (1.0 + 35.5) + (2 \times 23.0 + 32.0 + 4 \times 16.0) = 215\]

\[\textrm{Percent atom economy} = \frac{73.0}{215} \times 100 = 34.0\%\]

Este resultado muestra que incluso con un rendimiento del 100%, la reacción es económica de solo 34.0% de átomos y si se utilizara como medio para preparar HCl se producirían grandes cantidades de Na ₂ SO ₄, un material con valor limitado. Por el contrario, la reacción directa del gas hidrógeno con gas cloro para dar gas HCl,

\[\ce{H2(g) + Cl2(g) \rightarrow 2HCl (g)}\]

se puede llevar a cabo con 100% de economía de átomos si todo el H ₂ reacciona con Cl ₂. No hay subproducto de desecho.