પરમાણુ અર્થવ્યવસ્થા કૅલ્ક્યુલેટર - રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા કાર્યક્ષમતા

પરમાણુ અર્થતંત્ર ગણક શું છે?

પરમાણુ અર્થતંત્ર ગણક રાસાયણિક પ્રક્રિયાના પ્રારંભિક પદાર્થોના દળમાંથી કેટલું દળ ઇચ્છિત ઉત્પાદનમાં જાય છે અને કેટલું કચરારૂપ ઉપઉત્પાદનોમાં જાય છે તે નક્કી કરે છે. સંતુલિત રાસાયણિક સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને તે ઉત્પાદનના અણુભારની તુલના અભિકારકોના કુલ અણુભાર સાથે કરે છે. પરિણામ ટકાવારી તરીકે મળે છે: પરમાણુ અર્થતંત્ર.

પરમાણુ અર્થતંત્રનું સૂત્ર

પરમાણુ અર્થતંત્રની ગણતરી આ રીતે થાય છે:

$A = \frac{M_p}{M_r} \times 100$

અહીં A ટકાવારી તરીકેનું પરમાણુ અર્થતંત્ર છે, $M_p$ ઇચ્છિત ઉત્પાદનનો અણુભાર છે અને $M_r$ બધા અભિકારકોનો કુલ અણુભાર છે.

આ સૂત્ર સંતુલિત સમીકરણમાંના ગુણાંકોનો ઉપયોગ કરે છે. દરેક અભિકારકના અણુભારને તેના ગુણાંકથી ગુણ્યા પછી ભાર ઉમેરવામાં આવે છે, અને ઉત્પાદનના અણુભારને તેના પોતાના ગુણાંકથી ગુણવામાં આવે છે.

પરમાણુ અર્થતંત્રની સંકલ્પના રસાયણશાસ્ત્રી Barry M. Trost દ્વારા 1991માં રજૂ કરવામાં આવી હતી, જેથી પ્રક્રિયા વ્યવહારમાં કેટલી સારી રીતે ચાલે છે તેનાથી અલગ રીતે તેની રચના કેટલી કાર્યક્ષમ છે તેનું મૂલ્યાંકન કરી શકાય.

પરમાણુ અર્થતંત્રની ગણતરી કેવી રીતે કરવી

1. પ્રક્રિયા માટેનું સંતુલિત રાસાયણિક સમીકરણ લખો.
2. સમીકરણમાં આપેલા ગુણાંકનો ઉપયોગ કરીને ઇચ્છિત ઉત્પાદનનો અણુભાર શોધો.
3. બધા અભિકારકોના અણુભારને તેમના ગુણાંકો વડે ગુણ્યા પછી તેનો સરવાળો કરો.
4. ઉત્પાદનના ભારને કુલ અભિકારક ભારથી ભાગો, પછી 100 વડે ગુણો.

ગુણાંકો સૂત્રની આગળ, સમીકરણમાં દેખાય તે રીતે લખાય છે: 2H2O પાણીના બે સૂત્ર એકમો દર્શાવે છે. ગુણાંક વિના દાખલ કરેલું સૂત્ર અલગ, અસંતુલિત સમીકરણ દર્શાવે છે અને અલગ પરિણામ આપે છે.

આ ગણતરીમાં ઉત્પ્રેરકો અને દ્રાવકોને બાકાત રાખવામાં આવે છે. ઉત્પ્રેરક પ્રક્રિયા થવામાં મદદ કરે છે, પરંતુ તે વપરાઈ જતો નથી, તેથી તેને અભિકારક ગણવામાં આવતો નથી. દ્રાવકો પણ સામાન્ય રીતે ઉત્પાદનનો ભાગ બનતા નથી.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: હાઇડ્રોજન અને ઑક્સિજન

પાણી બનાવવાનું સંતુલિત સમીકરણ ધ્યાનમાં લો:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

H = 1.008 અને O = 15.999 પરમાણુભાર લઈને, બધા ભાર ગ્રામ પ્રતિ મોલ (g/mol)માં:

• 2 H₂ = 2 × 2.016 = 4.032 g/mol
• O₂ = 31.998 g/mol
• કુલ અભિકારક ભાર = 4.032 + 31.998 = 36.030 g/mol
• 2 H₂O = 2 × 18.015 = 36.030 g/mol

પરમાણુ અર્થતંત્ર $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

અભિકારકોનો દરેક પરમાણુ ઉત્પાદનમાં જાય છે, તેથી પરમાણુ અર્થતંત્ર 100% છે. માત્ર એક ઉત્પાદન ધરાવતા યોગ્ય રીતે સંતુલિત સમીકરણ માટે આ અપેક્ષિત છે: દળનું સર્જન થઈ શકતું નથી, તેથી ઉત્પાદનનું દળ તેને બનાવનારા અભિકારકોના સંયુક્ત દળ કરતાં ક્યારેય વધારે હોઈ શકે નહીં. જો ગણતરીમાં 100%થી વધુ મૂલ્ય મળે, તો દાખલ કરેલું સમીકરણ યોગ્ય રીતે સંતુલિત નથી.

એ જ પ્રક્રિયાને સંતુલિત કર્યા વિના, એટલે કે H₂ + O₂ → H₂O તરીકે લખવાથી વાસ્તવિક પ્રક્રિયા દર્શાતી નથી અને અલગ, અર્થહીન સંખ્યા મળે છે: 18.015 ÷ (2.016 + 31.998) × 100 = 52.96%. તેથી સમીકરણને પહેલાં સંતુલિત કરવું જરૂરી છે.

ઉકેલેલું ઉદાહરણ: એસ્પિરિનનું સંશ્લેષણ

એસ્પિરિન સેલિસિલિક ઍસિડ અને એસિટિક એનહાઇડ્રાઇડમાંથી બને છે:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• સેલિસિલિક ઍસિડ (C₇H₆O₃): 138.12 g/mol
• એસિટિક એનહાઇડ્રાઇડ (C₄H₆O₃): 102.09 g/mol
• કુલ અભિકારક ભાર: 240.21 g/mol
• એસ્પિરિન (C₉H₈O₄, ઇચ્છિત ઉત્પાદન): 180.16 g/mol

પરમાણુ અર્થતંત્ર $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

બાકી રહેલું 25% દળ એસિટિક ઍસિડ તરીકે, એટલે કે ઉપઉત્પાદન તરીકે, પ્રક્રિયામાંથી બહાર જાય છે. ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનમાં આ એસિટિક ઍસિડ સામાન્ય રીતે પુનઃપ્રાપ્ત કરીને ફરી વપરાય છે, જે નુકસાનની અસર ઘટાડે છે.

પરિણામનું અર્થઘટન

• 90–100%: અભિકારકોના મોટા ભાગના પરમાણુઓ ઉત્પાદનમાં જાય છે. સંયોજન પ્રક્રિયાઓમાં આ સામાન્ય છે, જ્યાં કશું બાકી રહેતું નથી.
• 70–90%: સારી કાર્યક્ષમતા, ઘણી ઉત્પ્રેરિત પ્રક્રિયાઓમાં સામાન્ય.
• 50–70%: મધ્યમ. વિસ્થાપન પ્રક્રિયાઓ, જેમાં વિદાયી સમૂહ કચરા તરીકે મુક્ત થાય છે, ઘણીવાર આ શ્રેણીમાં આવે છે.
• 50%થી ઓછું: અભિકારકોનું મોટા ભાગનું દળ ઉત્પાદનને બદલે કચરામાં ફેરવાય છે.

આ શ્રેણીઓ માત્ર આશંકિત માર્ગદર્શિકા છે. વધુ સ્વચ્છ વિકલ્પ ઉપલબ્ધ ન હોય તેવા જટિલ ઔષધીય મધ્યવર્તીને 65% સ્વીકાર્ય માનવામાં આવી શકે, જ્યારે સસ્તા વિકલ્પો ધરાવતા સરળ જથ્થાબંધ રસાયણ માટે તે સ્વીકાર્ય ન ગણાય.

પરમાણુ અર્થતંત્ર શું માપતું નથી

પરમાણુ અર્થતંત્ર માત્ર સંતુલિત સમીકરણમાં લખાયેલા અભિકારકો અને ઉત્પાદનને ધ્યાનમાં લે છે. તે દ્રાવકો, ઉત્પ્રેરકો અને પ્રક્રિયા ચલાવવા જરૂરી ઊર્જાને બાકાત રાખે છે. કોઈ પ્રક્રિયાનું પરમાણુ અર્થતંત્ર ઊંચું હોઈ શકે, છતાં તેમાં દ્રાવકનો મોટો જથ્થો વપરાતો હોઈ શકે અથવા અતિશય તાપમાન કે દબાણની જરૂર પડી શકે. સંપૂર્ણ ચિત્ર માટે રસાયણશાસ્ત્રીઓ પરમાણુ અર્થતંત્રને અન્ય માપદંડો સાથે જોડે છે, જેમ કે E-પરિબળ (કચરાના દળને ઉત્પાદનના દળથી ભાગેલું) અને પ્રક્રિયા દળ તીવ્રતા (વપરાયેલા કુલ દળને ઉત્પાદનના દળથી ભાગેલું).

પરમાણુ અર્થતંત્રનો ઇતિહાસ

તે સમયે University of Wisconsin અને પછી Stanford University સાથે સંકળાયેલા રસાયણશાસ્ત્રી Barry M. Trostએ Science જર્નલમાં 1991ના એક લેખ, "The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency",માં પરમાણુ અર્થતંત્રની સંકલ્પના રજૂ કરી. તે પહેલાં રસાયણશાસ્ત્રીઓ પ્રક્રિયાનું મૂલ્યાંકન મુખ્યત્વે તેની ઉપજથી કરતા: પ્રાપ્ત થયેલા ઉત્પાદનનું પ્રમાણ સૈદ્ધાંતિક મહત્તમની કેટલી નજીક હતું. Trostના વિચારથી એક અલગ પ્રશ્ન ઉમેરાયો: ઊંચી ઉપજ હોવા છતાં, અભિકારકના દળમાંથી કેટલું ઉત્પાદનને બદલે ઉપઉત્પાદનોમાં જાય છે?

1998માં Paul Anastas અને John Warnerએ તેમના પુસ્તક Green Chemistry: Theory and Practiceમાં રજૂ કરેલા હરિત રસાયણશાસ્ત્રના બાર સિદ્ધાંતોમાં પરમાણુ અર્થતંત્ર બીજું સિદ્ધાંત બન્યું. ત્યારથી તે રસાયણશાસ્ત્રના અભ્યાસક્રમોમાં શીખવાતું પ્રમાણભૂત માપદંડ અને નવી સંશ્લેષણ પદ્ધતિઓ અંગેના ઘણા સંશોધનપત્રોમાં નોંધાતું પરિમાણ બન્યું છે.

વારંવાર પૂછાતા પ્રશ્નો

પરમાણુ અર્થતંત્ર શું છે?

પરમાણુ અર્થતંત્ર એ રાસાયણિક પ્રક્રિયામાં અભિકારકોના દળમાંથી ઇચ્છિત ઉત્પાદનમાં જતું દળ દર્શાવતી ટકાવારી છે. ઉત્પાદનના અણુભારને અભિકારકોના કુલ અણુભારથી ભાગીને અને પછી 100 વડે ગુણાકાર કરીને તે મેળવવામાં આવે છે.

પરમાણુ અર્થતંત્ર ઉપજથી કેવી રીતે અલગ છે?

ઉપજ એ વપરાયેલા પ્રારંભિક પદાર્થના જથ્થાને આધારે પ્રક્રિયા સૈદ્ધાંતિક મહત્તમની તુલનામાં વાસ્તવમાં કેટલું ઉત્પાદન આપે છે તે માપે છે. પરમાણુ અર્થતંત્ર અલગ બાબત માપે છે: માત્ર પ્રક્રિયાની રસાયણશાસ્ત્રના આધારે અભિકારકના દળમાંથી વધુમાં વધુ કેટલું ઉત્પાદન બની શકે. જો ઉત્પાદન સાથે ઘણું ઉપઉત્પાદન દળ પણ બને, તો કોઈ પ્રક્રિયામાં ઊંચી ઉપજ અને નીચું પરમાણુ અર્થતંત્ર બંને એકસાથે હોઈ શકે છે.

શું પરમાણુ અર્થતંત્ર 100% હોઈ શકે?

હા. સંયોજન પ્રક્રિયાઓમાં અભિકારક અણુઓ કોઈ ઉપઉત્પાદન છોડ્યા વિના જોડાય છે, તેથી પરમાણુ અર્થતંત્ર 100% સુધી પહોંચી શકે છે. પુનર્ગઠન પ્રક્રિયાઓમાં, જેમાં અણુની અંદર પરમાણુઓનું પુનર્વિન્યાસ થાય છે, તે 100% સુધી પણ પહોંચી શકે છે. 100% પરમાણુ અર્થતંત્ર ધરાવતી પ્રક્રિયા પણ એકંદરે નબળી પસંદગી હોઈ શકે છે, જો તેની ઉપજ ઓછી હોય અથવા તેના અભિકારકો જોખમી હોય.

શું પરમાણુ અર્થતંત્રમાં દ્રાવકો અને ઉત્પ્રેરકોનો સમાવેશ થાય છે?

ના. ઉત્પ્રેરકો પ્રક્રિયા દરમિયાન વપરાઈ જતા નથી, તેથી તેમને અભિકારકો ગણવામાં આવતા નથી. દ્રાવકોને પણ સામાન્ય રીતે ગણવામાં આવતા નથી, સિવાય કે દ્રાવકનો કોઈ ભાગ ઉત્પાદનમાં જોડાઈ જાય. એટલે પ્રક્રિયા મોટા પ્રમાણમાં દ્રાવક વાપરતી હોવા છતાં તેનું પરમાણુ અર્થતંત્ર ઊંચું દેખાઈ શકે છે.

સારું પરમાણુ અર્થતંત્ર કેટલું ગણાય?

90%થી વધુ ઉત્તમ ગણાય છે, 70–90% સારું ગણાય છે, અને 50%થી ઓછું મૂલ્ય સૂચવે છે કે અભિકારકનું મોટા ભાગનું દળ વેડફાય છે. શું સ્વીકાર્ય ગણાય તે પ્રક્રિયા પર આધારિત છે: વધુ સારો માર્ગ ઉપલબ્ધ ન હોય તેવું જટિલ ઉત્પાદન સરળ, મોટા જથ્થામાં બનતા રસાયણ કરતાં ઓછા પરમાણુ અર્થતંત્રને યોગ્ય ઠેરવી શકે છે.

સંતુલિત સમીકરણમાંના ગુણાંકોનો ગણતરીમાં કેવી રીતે ઉપયોગ થાય છે?

દરેક અભિકારક અને ઉત્પાદન માટે સંતુલિત સમીકરણમાં આપેલા ગુણાંકો જ વાપરવા જોઈએ. 2H₂ + O₂ → 2H₂O માટે, અભિકારક ભારમાં 2 × (H₂નો ભાર) ઉપરાંત 1 × (O₂નો ભાર) આવે છે, અને ઉત્પાદન ભારમાં 2 × (H₂Oનો ભાર) આવે છે. ગુણાંકો છોડવાથી અથવા અસંતુલિત સમીકરણ વાપરવાથી મળેલી સંખ્યા વાસ્તવિક પ્રક્રિયાને દર્શાવતી નથી.

સંદર્ભો

1. Trost, B. M. (1991). The atom economy—a search for synthetic efficiency. Science, 254(5037), 1471–1477.
2. Anastas, P. T., & Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press.
3. Sheldon, R. A. (2017). The E factor 25 years on: the rise of green chemistry and sustainability. Green Chemistry, 19(1), 18–43.