D) Percentage Yield and AtomEconomy
Learning intention
Learn how the efficiency of achemical reaction can bemeasured in terms of percentageyield and atom economy.
oil%20refinery%201
Making only as much as we need
PERCENTAGE YIELD
and ATOM ECONOMY
oil%20refinery%201
Pig_Iron_Ore
Metals
Drums%20of%20Chemical
enhance-x-web
Reactants
(rawmaterials)
Products
Most of the substances we use every day are madefrom RAW MATERIALS, often through complexchemical reactions.
Chemical reactions
brand
ici_logo
gsk_logo
view_image
sm_perrigo
Pottington
Braunton
chemround
The chemical industry is a multi billion pound international industryproducing millions of products vital to our civilisation and well being.
Chemical Engineers play a crucial role and are much in demand –there are many opportunities and high levels of pay!
Chemical Engineers are much concerned with:
% YIELD and ATOM ECONOMY..
What isgreen chemistry?
The sustainable design of chemical products andchemical processes.
It minimises the use and generation of chemicalsubstances that are hazardous to human health or theenvironment.
Green chemistryprinciples
Better to prevent waste than to treat it or clean it up.
Chemical processes should aim to incorporate allreactants in the final product.
Chemical processes should aim to use and generatesubstances with minimal toxicity to human health andthe environment.
The greenchemical industry
Modern chemists design reactions with the highestpossible atom economy in order to minimise environmentalimpact.
Chemists achieve this by reducing raw material andenergy consumption.
Percentage yield
Historical method for evaluating reactionefficiency.
Measures the proportion of the desired productobtained compared to the theoretical maximum.
Gives no indication of the quantity of wasteproduced.
% YIELD is the amount of product you actually makeas a % of the amount you should theoretically make
+
SHOULDmake thismuch
ACTUALLYmake thismuch
REACTANTS
PRODUCT
%YIELDABOUT75%
Grey-Nag004
Old fashioned example: Cement from limestone
Limekiln
quicklime
CaCO3      CaO   +     CO2
Limestone%202
LIMESTONE (calcium carbonate) is used to makeQUICKLIME (calcium oxide) for cement making
RFM:    100         56            44
So, THEORETICALLY, 100 tonnes of limestone shouldproduce 56 tonnes of quicklime.
BUT the ACTUAL YIELD is only 48 tonnes
So..the PERCENTAGE YIELD is only 48 x 100 = 87.5%
                                          56
Why? –nextslide
PERCENTAGE YIELD 1
RAM
Ca 40
O 16
C 12
Very few chemical reactions have a yield of100% because:
 The raw materials (eg limestone) may not be pure
 Some of the products may be left behind in theapparatus
 The reaction may not have completely finished
 Some reactants may give some unexpected products
Some reactions involve an equilibrium
MoltenSteelPour
Careful planning anddesign of the equipmentand reaction conditionscan help keep % yield high
PERCENTAGE YIELD 2
Atom economy
In an ideal reaction, all reactant atoms end upwithin the useful product molecule. No waste isproduced!
Inefficient, wasteful reactions have low atomeconomy.
 
Efficient processes have high atom economy andare important for sustainable development. Theyconserve natural resources and create less waste.
Atom economy
A measure of the proportion of reactant included inthe final useful product.
A reaction may have a high percentage yield but alow percentage atom economy, or vice versa.
High atom economy
All reactant atoms included in the desiredproduct.
Low atom economy
Some reactant atoms not included in thedesired product.
CaCO3     CaO   +   CO2
2Mg     +     O2           2MgO
USEFUL PRODUCT(antacids, fire resistantcoatings, electricalinsulators)
USEFUL PRODUCT(cement, glass,agriculture etc)
Atom Economy
Compare these two industrial reactions
What do you notice abouteach one?
Think raw materials, usefulproducts, waste products
REACTANTS
+
PRODUCTS
ATOM ECONOMY is the mass of the product youwant as a % of the mass of all the products you make
Stuff youwant
Stuff youalso getbut don’twant
ATOMECONOMYabout 50%
CALCULATING ATOM ECONOMY
Often, chemical reactions produce unwanted products alongwith the product you want.
CaCO3     CaO   +     CO2
RFM:     100           56            44
Useful product
Waste product
ATOMECONOMY
   mass useful product
   mass of all reactants
=
X 100%
A
t
o
m
 E
c
o
n
o
m
y
 =
 5
6
 /
 (
5
6
 +
 4
4
)
 =
 5
6
 /
 1
0
0
 =
  5
6
 %
ATOM ECONOMY is the mass of product you want as a% of the mass of all the reactants
Fe2O3  +  3CO   2Fe  +  3CO2
160           84       112        132
Atom Economy = 80 / 80 x 100% = 100 % (obviously)
ATOM ECONOMY is the mass of product you want as a% of the mass of all the reactants
2Mg  +  O2           2MgO
RFM: 48     32                  80
RAM
Mg 24Fe 56C 12
O 16
Atom Economy = 112 244 x 100% = 45.9 %
Find the atom economy for these 2 methods of extractingcopper:
bornite
copper
1. Heat copperoxide with carbon
2. Heat coppersulphide withoxygen
pg-26-2
2CuO + C    2Cu  +  CO2
CuS + O2   Cu  +  SO2
RAM  Cu 64,   O 16,   C 12,   S 32
2(80)      12        128        44
   96      32          64       64
Mass of allreactants
160 + 12 = 172
Mass of allreactants
= 96 + 32 = 128
ATOM
ECONOMY
128
172
X 100
=
ATOM
ECONOMY
 64
128
X 100
=
74.4 %
50 %
Mass ofcopper =128
Mass ofcopper = 64
350px-Paracetamol_metabolism
Real example: Paracetamol
paracetamol-20tablets_10450651_250x250
The non-prescription analgesicmarket (paracetamol, aspirin,ibuprofen) is worth about £21billion annually.
Maximising % yield and atomeconomy in the reactions at left isvital to save money and conserveenergy and resources
ATOM ECONOMY is themass of the product youwant as a % of the mass ofall the products you make
Stuff youwant
Stuff youalso get butdon’t want
ATOMECONOMYabout 50%
% YIELD is theamount of product youactually make as a % ofthe amount you shouldtheoretically make
SHOULDmake thismuch
ACTUALLYmake thismuch
%YIELDABOUT75%
SUMMARY
Choosing the mostEFFICIENT REACTIONto make the product
to…
Using the most EFFICIENTREACTION CONDITIONS& APPARATUS
to…
Raw materials are scarce and expensive and so mustbe carefully conserved. Also, chemical processesneed to produce as little waste as possible, minimisecosts, energy use and pollution.
CHEMICAL ENGINEERS must plan to maximise:
PERCENTAGE YIELD
by…
ATOM ECONOMYby…
Reduce energy use, costsand conserve raw materials
Reduce waste and pollution
Example 1
What is the percentage atom economy for the following reaction formaking hydrogen by reacting coal with steam?
C(s)     +     2H2O(g)  →  CO2(g)     +   2H2(g)
12 g             2(2 + 16) g     [12 + (2 × 16)] g     2(2 × 1) g
12 g                   36 g                    44 g                      4 g
Total mass of reactants           Mass of desired product
= 12 + 36 = 48 g                       = 4 g
Example 1 (contd)
% atom economy = mass of desired product  × 100
                    total mass of reactants
=          4  × 100
48
                                = 8.3%
This reaction route has a very low atom economy andis an inefficient method of producing hydrogen.
Example 2
Calculate the percentage atom economy for the reaction below.
               C6H12                                                           C6H12
Total mass of reactants                 Mass of desired product
= [(6 × 12) + (12 × 1)]                     = [(6 × 12) + (12 × 1)]
= 84 g                                             = 84 g
Example 2 (contd)
% atom economy = mass of desired product × 100
                    total mass of reactants
                                  =       84  × 100
84
= 100%
This reaction route has a very high atom economy asall reactant atoms are incorporated into the desiredproduct.
Example 3
Hydrazine (N2H4) is used for rocket fuel. Calculate the atom economy forhydrazine production.
Total mass of reactants                Mass of desired product
= 34 + 74.5 = 108.5 g                   = 32 g
NH3
2 mol
34 g
NaOCl
1 mol
74.5 g
N2H4
1 mol
32 g
NaCl
1 mol
58 g
H2O
1 mol
18 g
Example 3 (contd)
% atom economy = mass of desired product × 100
                    total mass of reactants
  =       32  × 100
108.5
          = 30%
This reaction route has an atom economy of 30%. Theremaining 70% is waste product (NaCl and H2O).
Catalysts
Have a crucial role in improving atom economy.
Allow the development of new reactions requiring fewer startingmaterials and producing fewer waste products.
Can be recovered and re-used.
Allow reactions to run at lower temperatures, cutting energyrequirements.
Methanol and atom economy
Methanol
Methanol is a potentialfuel of the future
It can be made frommethane which in turncould be made byanaerobicfermentation of wasteorganic material
polyfuel-methanol-fuel-cell-t40-laptop_1PIqm_5784
Laptop with methanol fuel cell
 green technology
Methanol
It is added to other fuels, it is the fuel fordrag car racing and it is being widely used infuel cells to power vehicles as it has not beeneasy to set up the infrastructure needed forhydrogen based fuel cells
BIGbfe-paddock-talk
Carbon neutral?
If methane is combusted in a limited supply ofoxygen, carbon monoxide forms
   CH4  +  ½ O2        CO   + 2H2
The products are then passed over a catalyst at50-100 atmospheres and 250oC
CO   + 2H2        CH3 OH
Carbon neutral?
CO   + 2H2        CH3 OH
28       4                   32
Atom economy  =  mass of desired products     x 100
                                 Total mass of reactants
 
                            = 32             x   100  =  100%
                               16 + 16
Carbon neutral?
All the carbon in the methane is converted intocarbon in the methanol – it is said to be carbonneutral
The carbon dioxide released when methanol burnscontains the same amount of carbon that wasreclaimed from the CO
The amount of carbon dioxide released when themethanol burns is the same as the amount themethane would have released if it was burnedcompletely. No additional carbon dioxide resultsfrom the process
Carbon neutral?
What were the conditions needed forstep 1? How were they achieved?
What were the conditions needed forstep 2? How would these have beenachieved?
In your opinion, how true is the claimthat the process is carbon neutral?
Limited supply of oxygen
High pressure and temperature – ieenergy costs (where will this energycome from?
Green Chemistry
Look at the 12 principles of GreenChemistry
How many of them apply to thisprocess? The catalysts are zincoxide, aluminium oxide or copper.
% yield
Percentage yield = actual yield/theoretical yield x 100%
Preparation of zinc sulphate
Zinc sulphate is used as a paste,mixed with zinc oxide to treat acne.
Aim to produce zinc sulphate andcalculate the % yield
clean-start-skincare
Preparation of zinc sulphate
It is an astringent– it closes thepores of the skinto keep outbacteria
This productcontains peroxide,zinc sulphate, teatree oil and sage
specailclearingbooster
Preparation of zinc sulphate
It can also be used to preventsunburn!
sunburn
What to do
Add a weighing boat to the balance and zero it
Add between 2.2 – 2.5 g zinc oxide
Record the accurate mass
Measure out 25cm3  1.0 mol l-1 H2SO4
Heat the acid to about 50 oC
Add the zinc oxide, stirring constantly
What to do next
Cool the reaction mixture
Weigh an evaporating dish and record the mass accurately
Weigh a filter paper, fold the filter paper, place in a funnel andfilter the zinc sulphate solution into the dish
Heat to nearly dry, then leave to fully evaporate and cool.
Reweigh the dish and product
Calculation % Yield
Write the balanced equation
Which reactant is in excess and which onelimits the amount of product formed?
How much product is expected (using thelimiting reactant in the calculation)
Calculate the yield = actual mass       x 100
                               expected mass
Preparation of sodiumcitrate % yield
Sodium citrate is a food additive(E331) e.g. in pepsi
sodium-citrate-and-citric-acid
What to do
Weigh a beaker accurately
Add approx 2g citric acid to the beakerand reweigh
Add 25cm3  1.0 mol l-1 NaOH and stir untilall the crystals have dissolved
Evaporate the beaker almost to drynessthen leave to dry completely
Reweigh the beaker
For the calculation
3 mol NaOH reacts with 1 mol citric acid
http://www.hpwt.de/Chemie/Zitrosaeure.gif
http://www.hpwt.de/Chemie/Zitrosaeure.gif
Na
Na
Na
+  3NaOH  
+  3H2O
The calculation
1.  3NaOH + C6H8O6  CH5O7Na3 + 3H2O
2. Work out the theoretical yield.
 
3. Use the actual yield from your results andthe theoretical yield to calculate thepercentage yield.