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Chimica · Scuola superiore · Classi III–IV · 55 minuti
In breve
Una reazione può dare quasi tutto il prodotto previsto e, nello stesso tempo, trasformare molta materia prima in sottoprodotti. La resa percentuale confronta il prodotto ottenuto con quello teoricamente ottenibile. L’economia atomica descrive invece quanta massa dei reagenti, nelle proporzioni dell’equazione bilanciata, è destinata al prodotto desiderato. I due numeri rispondono a domande diverse: nessuno, da solo, dimostra che un processo sia sostenibile.
La domanda da cui partire
Due stabilimenti devono ottenere la stessa sostanza. Il primo dichiara: «Recuperiamo il 95% del prodotto previsto». Basta per dire che spreca poche materie prime? No: prima dobbiamo sapere se l’equazione della reazione prevede anche molti sottoprodotti. Recuperare bene il prodotto è importante, ma è diverso dal progettare una reazione che indirizzi verso quel prodotto quasi tutta la massa dei reagenti.
La chimica verde invita anche a prevenire i rifiuti, non soltanto a gestirli dopo averli prodotti. L’economia atomica è uno degli strumenti per ragionare su questa prevenzione. [1, 2]
Che cosa devi già saper fare
Leggere un’equazione bilanciata, riconoscere i coefficienti stechiometrici, calcolare una massa molare e una percentuale. Non ripetiamo qui il bilanciamento: lo usiamo come strumento.
Due formule, senza scambiarle
Economia atomica, EA (%) = 100 × νP × M(P) / Σ[νi × M(i)]reagenti
P è il prodotto desiderato; M è la massa molare in g/mol; ν indica il coefficiente nell’equazione bilanciata. Al denominatore si sommano tutti i reagenti, ciascuno con il proprio coefficiente. Il numeratore riguarda soltanto P. Si considera qui un solo prodotto-obiettivo.
Resa (%) = 100 × massa di P puro ottenuta / massa di P teoricamente ottenibile
La massa teorica si ricava dalla stechiometria e dalla carica di reagenti, usando il reagente limitante quando necessario. Non è la massa totale dei reagenti. L’economia atomica è teorica; la resa dipende da ciò che si ottiene realmente. [1, 2]
Prima di dividere, scrivi a parole il denominatore: «reagenti stechiometrici» per EA; «prodotto teorico» per la resa.
Esempio svolto 1 · Dove va la massa del calcare?
Consideriamo la decomposizione termica del carbonato di calcio, una trasformazione usata nella produzione di ossido di calcio. Il calore è necessario alla trasformazione: non è una massa da aggiungere al denominatore. [3, 4]
CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g), con apporto di calore
L’equazione è già bilanciata: i coefficienti sono tutti 1. Il prodotto desiderato è CaO. Per rendere immediati i conti usiamo masse atomiche scolastiche arrotondate: Ca = 40, C = 12, O = 16.
| Sostanza | Massa molare arrotondata | Ruolo in questo calcolo |
|---|---|---|
| CaCO₃ | 100 g/mol | Reagente |
| CaO | 56 g/mol | Prodotto desiderato |
| CO₂ | 44 g/mol | Coprodotto, non obiettivo |
EA = 56 / 100 × 100 = 56%.
Per ogni 100 g di CaCO₃ trasformati secondo questa equazione, nel caso ideale si formano 56 g di CaO e 44 g di CO₂. Non sparisce il 44% della massa: quella massa va nell’altro prodotto. Il 56% non è una resa sperimentale. È una proprietà del bilancio scelto, riferita a CaO come obiettivo.
Se l’obiettivo del calcolo fosse soltanto CO₂, il numeratore cambierebbe: EA = 44%. Cambia la domanda, non l’equazione. Recuperare o valorizzare un coprodotto può essere utile, ma non cambia automaticamente l’EA calcolata per CaO sulla stessa equazione. [1, 2]
Esempio svolto 2 · La resa è un’altra cosa
In un caso numerico inventato, partiamo da 25,0 g di CaCO₃ puro. La massa teorica di CaO è:
25,0 g × 56 / 100 = 14,0 g di CaO.
Supponiamo di isolare 11,2 g di CaO puro, senza reagente residuo mescolato al prodotto. La resa vale:
11,2 / 14,0 × 100 = 80,0%.
L’economia atomica resta 56%: non diventa 80%. Il confronto 11,2 / 25,0 descriverebbe invece un rapporto fra prodotto ottenuto e reagente caricato, non la resa percentuale.
Questi sono calcoli su carta, non istruzioni di laboratorio. Non riscaldare calcare e non procurarti o manipolare CaO per questa attività.
Attività · Due percorsi per lo stesso prodotto
Materiali: questa scheda, penna e calcolatrice. Lavorate a coppie per circa 15 minuti. Non servono sostanze chimiche, recipienti o riscaldamenti.
Una piccola impresa confronta due percorsi per produrre la stessa sostanza P. I dati sono inventati per l’esercizio e non descrivono procedure reali. Non sono dati industriali misurati.
Per ogni lotto, la massa teorica di P deriva già dalla rispettiva equazione bilanciata. Tutti i reagenti sono caricati nelle proporzioni stechiometriche, senza eccessi. Non ci sono ricicli, recuperi o altri ingressi nel modello di base. La massa ottenuta è quella di P puro. Tutta la massa in uscita è contabilizzata, anche quella non recuperata come P; non ne specifichiamo la composizione.
| Dato per un lotto | Percorso A | Percorso B |
|---|---|---|
| Massa totale di reagenti stechiometrici caricati | 140 g | 125 g |
| Massa teoricamente ottenibile di P | 100 g | 100 g |
| Massa teorica degli altri prodotti | 40 g | 25 g |
| Massa di P puro effettivamente recuperata | 90 g | 75 g |
Domande
- Calcolate l’economia atomica dei due percorsi. Quale incorpora idealmente in P una quota maggiore della massa dei reagenti?
- Calcolate la resa percentuale di ciascun lotto. Quale recupera una quota maggiore del prodotto teorico?
- Nel modello, quanta massa per lotto non esce come P recuperato? Usate massa totale in ingresso meno P recuperato. Perché non possiamo chiamarla tutta «sottoprodotto della reazione»?
- L’impresa deve consegnare 90 g di P puro. Assumete che i dati scalino proporzionalmente e che si possano usare frazioni di lotto. Quanti grammi di reagenti richiede ogni percorso? Quale lascia meno massa non recuperata come P, per questa stessa consegna?
- Possiamo dichiarare uno dei due percorsi «più sostenibile in assoluto»? Indicate almeno tre informazioni mancanti.
Spazio di lavoro: riportate formula, sostituzione dei dati, risultato e una frase di interpretazione. Arrotondate le percentuali a una cifra decimale.
Prima del confronto in classe: accordatevi su una frase che contenga entrambe le parole «teorico» e «ottenuto».
Soluzioni commentate · Non basta scegliere la percentuale più alta
1 · Economia atomica
Per questi lotti stechiometrici, il rapporto fra massa teorica di P e massa totale dei reagenti equivale al rapporto calcolato dalle masse molari e dai coefficienti.
- A: 100 / 140 × 100 = 71,4%.
- B: 100 / 125 × 100 = 80,0%.
B ha l’economia atomica maggiore. Il suo bilancio ideale destina a prodotti diversi da P una quota minore della massa dei reagenti. Non abbiamo ancora usato le masse recuperate nella pratica.
2 · Resa
- A: 90 / 100 × 100 = 90,0%.
- B: 75 / 100 × 100 = 75,0%.
A ha la resa maggiore. Il denominatore è sempre la massa teorica di P, non 140 g o 125 g. L’ordine dei percorsi cambia a seconda dell’indicatore: non è una contraddizione.
3 · Massa che non esce come P recuperato
- A: 140 − 90 = 50 g per lotto.
- B: 125 − 75 = 50 g per lotto.
Sono masse uguali, ma i lotti consegnano quantità diverse di P. La differenza ingresso–P recuperato comprende, nel modello, tutto il materiale che non recuperiamo come prodotto desiderato: può includere altri prodotti, reagenti non trasformati e P non recuperato. Dai dati non possiamo distinguerli. Non è corretto identificare automaticamente quei 50 g con la sola massa dei sottoprodotti previsti dall’equazione.
4 · Confronto corretto: stessa consegna di P
A fornisce già 90 g di P con un lotto: richiede 140 g di reagenti e lascia 50 g non recuperati come P.
B richiede un fattore di scala 90 / 75 = 1,20: reagenti = 125 × 1,20 = 150 g; massa non recuperata come P = 150 − 90 = 60 g.
Per consegnare gli stessi 90 g, nei dati assegnati A usa 10 g di reagenti in meno e lascia 10 g in meno non recuperati come P, pur avendo EA inferiore. Un’economia atomica alta è desiderabile, ma non sostituisce una buona resa pratica.
5 · Che cosa manca?
Per una valutazione più ampia servirebbero, per esempio, consumo di energia, quantità e pericolosità di solventi o ausiliari, pericolosità delle sostanze, origine delle materie prime, trattamento delle uscite e possibilità di recupero. I dati sostengono una conclusione limitata al confronto di massa dichiarato, non un verdetto ambientale generale. [1, 2]
Oltre il calcolo · Cambiare i confini cambia il confronto
Estensione facoltativa, 5 minuti. L’ufficio tecnico aggiunge un dato: ogni lotto A usa anche 200 g di solvente, mentre ogni lotto B ne usa 20 g. Sono ulteriori dati inventati. Il solvente non reagisce, non resta nel P puro e non viene recuperato. Tutte le altre assunzioni restano invariate.
Per consegnare sempre 90 g di P:
- A usa 140 + 200 = 340 g di materiali e ha 340 − 90 = 250 g di uscite diverse dal P recuperato.
- B usa (125 + 20) × 1,20 = 174 g di materiali e ha 174 − 90 = 84 g di uscite diverse dal P recuperato.
Con questo confine più ampio, B ha meno massa in uscita diversa da P. L’economia atomica non cambia: un solvente che non reagisce non entra nella sua formula. Abbiamo ampliato il bilancio del processo, non modificato l’equazione della reazione. Anche adesso non conosciamo energia e pericolosità: non possiamo trasformare «meno grammi» in «impatto sicuramente minore». [1, 2]
Quattro errori da riconoscere
| Affermazione | Commento |
|---|---|
| «Resa 100% significa nessun sottoprodotto.» | Falso: significa ottenere tutto P previsto. L’equazione può prevedere altri prodotti. |
| «Se miglioro il recupero, cresce anche l’EA.» | Non sulla stessa equazione e con lo stesso obiettivo: cresce la resa, non necessariamente l’EA. |
| «EA 100% garantisce un processo senza rifiuti.» | Falso: nella pratica possono esserci perdite, conversione incompleta, solventi e altri flussi. |
| «Aggiungo al denominatore dell’EA il solvente non reagente.» | No: confonderebbe l’EA con un altro bilancio di massa. |
Verifica lampo · Prima di uscire
a. Una trasformazione ha EA = 100%. In una prova si ottengono 60 g di P puro su 80 g teorici. Quanto vale la resa? b. Il solo riciclo di un solvente non reagente modifica l’EA dell’equazione? c. Qual è il dato da rendere uguale per confrontare i grammi di uscite di due percorsi?
Risposte commentate. a. 75%: 60 / 80 × 100; EA e resa restano distinte. b. No: il riciclo può ridurre consumo e rifiuti del processo, ma non cambia quel rapporto stechiometrico. c. La quantità dello stesso prodotto consegnato, con gli stessi confini di bilancio e la stessa definizione di purezza.
Fonti per capire e approfondire
Le spiegazioni, i dati comparativi e le domande sono redatti per questa lezione. Le fonti servono a verificare i concetti e il caso chimico; non sono una raccolta di testi o schede riprodotti.
[1] American Chemical Society — 12 Principles of Green Chemistry. Sezione Atom Economy, contributo di Michael Cann: definizione, confronto con una resa del 100%, paragrafo finale sui materiali ausiliari. Per gli altri impatti: Safer Solvents and Auxiliaries e Design for Energy Efficiency.
https://www.acs.or
[2] Monash University — Efficiency of organic reaction pathways. Sezioni Atom economy (definizione e formula), Percentage yield (definizione e formula actual/theoretical) e Relevant Green Chemistry Principles, punti 4–6 per energia, sicurezza e prevenzione dei rifiuti. Si citano questi passaggi, non il successivo commento sul riuso dei coprodotti.
https://www.monash
[3] Royal Society of Chemistry / Nuffield Foundation — Thermal decomposition of calcium carbonate. Sezione Teaching notes → Some question and answers for the class after the experiment, domanda 2, per l’equazione CaCO₃ → CaO + CO₂. Il laboratorio della fonte non fa parte di questa attività.
https://edu.rsc.or
[4] United States Environmental Protection Agency — Calcium Oxide Supply Chain – Full Profile, EPA 817-F-22-018, dicembre 2022. Sezione Manufacturing, Transport, & Storage → Manufacturing Process, Figure 1: Chemical Equation for the Reaction to Manufacture Calcium Oxide, per conferma indipendente della trasformazione industriale.
https://www.epa.go
Una frase da ricordare
La resa dice quanto del prodotto previsto ottengo; l’economia atomica dice quale quota della massa dei reagenti è destinata a quel prodotto nel bilancio ideale. Per valutare un processo servono entrambe, e non soltanto quelle.
Revisione docente: APERTA. Prova in classe: APERTA.