परमाणु अर्थव्यवस्था कैलकुलेटर - रासायनिक अभिक्रिया दक्षता

परमाणु अर्थव्यवस्था कैलकुलेटर क्या है?

परमाणु अर्थव्यवस्था कैलकुलेटर यह पता लगाता है कि रासायनिक अभिक्रिया की प्रारंभिक सामग्रियों के द्रव्यमान का कितना भाग अपशिष्ट उप-उत्पादों के बजाय वांछित उत्पाद में जाता है। यह संतुलित रासायनिक समीकरण का उपयोग करके उत्पाद के आणविक द्रव्यमान की तुलना अभिकारकों के कुल आणविक द्रव्यमान से करता है। परिणाम प्रतिशत के रूप में मिलता है: परमाणु अर्थव्यवस्था।

परमाणु अर्थव्यवस्था का सूत्र

परमाणु अर्थव्यवस्था की गणना इस प्रकार की जाती है:

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

जहाँ A प्रतिशत के रूप में परमाणु अर्थव्यवस्था है, $M_p$ वांछित उत्पाद का आणविक द्रव्यमान है और $M_r$ सभी अभिकारकों का कुल आणविक द्रव्यमान है।

सूत्र में संतुलित समीकरण के गुणांकों का उपयोग किया जाता है। प्रत्येक अभिकारक के आणविक द्रव्यमान को भारों को जोड़ने से पहले उसके गुणांक से गुणा किया जाता है, और उत्पाद के आणविक द्रव्यमान को उसके अपने गुणांक से गुणा किया जाता है।

परमाणु अर्थव्यवस्था की अवधारणा रसायनज्ञ बैरी एम. ट्रॉस्ट ने 1991 में प्रस्तुत की थी। इसका उद्देश्य यह आकलन करना था कि किसी अभिक्रिया की रचना कितनी दक्ष है, और यह आकलन उसके व्यवहार में प्रदर्शन से अलग था।

परमाणु अर्थव्यवस्था की गणना कैसे करें

1. अभिक्रिया का संतुलित रासायनिक समीकरण लिखें।
2. समीकरण में दिए गए गुणांक का उपयोग करके वांछित उत्पाद का आणविक द्रव्यमान ज्ञात करें।
3. सभी अभिकारकों के आणविक द्रव्यमान जोड़ें और प्रत्येक को उसके गुणांक से गुणा करें।
4. उत्पाद के द्रव्यमान को कुल अभिकारक द्रव्यमान से विभाजित करें, फिर 100 से गुणा करें।

गुणांक सूत्र के आगे लिखे जाते हैं, जैसे वे समीकरण में दिखाई देते हैं: 2H2O जल की दो सूत्र इकाइयाँ हैं। बिना गुणांक के लिखा गया सूत्र एक अलग, असंतुलित समीकरण को दर्शाता है और अलग परिणाम देता है।

इस गणना में उत्प्रेरकों और विलायकों को शामिल नहीं किया जाता। उत्प्रेरक अभिक्रिया को होने में सहायता करता है, लेकिन स्वयं खर्च नहीं होता, इसलिए उसे अभिकारक नहीं माना जाता। विलायक भी सामान्यतः उत्पाद का हिस्सा नहीं बनते।

उदाहरण: हाइड्रोजन और ऑक्सीजन

जल बनाने के संतुलित समीकरण पर विचार करें:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

परमाणु द्रव्यमान H = 1.008 और O = 15.999 लेते हुए, सभी द्रव्यमान ग्राम प्रति मोल (g/mol) में हैं:

• 2 H₂ = 2 × 2.016 = 4.032 ग्रा॰/मोल
• O₂ = 31.998 ग्रा॰/मोल
• कुल अभिकारक द्रव्यमान = 4.032 + 31.998 = 36.030 ग्रा॰/मोल
• 2 H₂O = 2 × 18.015 = 36.030 ग्रा॰/मोल

परमाणु अर्थव्यवस्था $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

अभिकारकों का प्रत्येक परमाणु उत्पाद में चला जाता है, इसलिए परमाणु अर्थव्यवस्था 100% है। केवल एक उत्पाद वाले सही-संतुलित समीकरण के लिए यह अपेक्षित है: द्रव्यमान बनाया नहीं जा सकता, इसलिए उत्पाद का द्रव्यमान उसे बनाने वाले अभिकारकों के संयुक्त द्रव्यमान से अधिक नहीं हो सकता। यदि गणना से 100% से अधिक मान प्राप्त होता है, तो दर्ज किया गया समीकरण सही ढंग से संतुलित नहीं है।

उसी अभिक्रिया को बिना संतुलित किए H₂ + O₂ → H₂O के रूप में लिखना वास्तविक अभिक्रिया को नहीं दर्शाता और एक अलग, निरर्थक संख्या देता है: 18.015 ÷ (2.016 + 31.998) × 100 = 52.96%। इसी कारण समीकरण को पहले संतुलित करना आवश्यक है।

उदाहरण: एस्पिरिन का संश्लेषण

एस्पिरिन सैलिसिलिक अम्ल और एसिटिक एनहाइड्राइड से बनाया जाता है:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• सैलिसिलिक अम्ल (C₇H₆O₃): 138.12 ग्रा॰/मोल
• एसिटिक एनहाइड्राइड (C₄H₆O₃): 102.09 ग्रा॰/मोल
• कुल अभिकारक द्रव्यमान: 240.21 ग्रा॰/मोल
• एस्पिरिन (C₉H₈O₄, वांछित उत्पाद): 180.16 ग्रा॰/मोल

परमाणु अर्थव्यवस्था $= (180.16 \div 240.21) \times 100 \approx 75.0\%$

द्रव्यमान का शेष 25% भाग एसिटिक अम्ल के रूप में अभिक्रिया से निकलता है, जो एक उप-उत्पाद है। औद्योगिक उत्पादन में इस एसिटिक अम्ल को सामान्यतः पुनः प्राप्त करके दोबारा उपयोग किया जाता है, जिससे इस हानि की भरपाई में सहायता मिलती है।

परिणाम को समझना

• 90–100%: अभिकारक परमाणुओं का अधिकांश भाग उत्पाद में चला जाता है। यह योग अभिक्रियाओं में सामान्य है, जिनमें कुछ भी शेष नहीं बचता।
• 70–90%: अच्छी दक्षता, जो कई उत्प्रेरित अभिक्रियाओं में सामान्य है।
• 50–70%: मध्यम। प्रतिस्थापन अभिक्रियाएँ, जिनमें एक निर्गामी समूह अपशिष्ट के रूप में निकलता है, प्रायः इस सीमा में आती हैं।
• 50% से कम: अभिकारक द्रव्यमान का अधिकांश भाग उत्पाद के बजाय अपशिष्ट बन जाता है।

ये सीमाएँ केवल मोटा मार्गदर्शन हैं। किसी अधिक स्वच्छ वैकल्पिक मार्ग के बिना जटिल औषधीय मध्यवर्ती के लिए 65% स्वीकार्य माना जा सकता है, जबकि सस्ते विकल्पों वाले सरल थोक रसायन के लिए ऐसा नहीं होगा।

परमाणु अर्थव्यवस्था क्या नहीं मापती

परमाणु अर्थव्यवस्था केवल संतुलित समीकरण में लिखे गए अभिकारकों और उत्पाद का हिसाब रखती है। इसमें विलायक, उत्प्रेरक और अभिक्रिया चलाने के लिए आवश्यक ऊर्जा शामिल नहीं होती। किसी अभिक्रिया की परमाणु अर्थव्यवस्था अधिक हो सकती है, फिर भी उसमें बड़ी मात्रा में विलायक लग सकता है या अत्यधिक तापमान अथवा दबाव की आवश्यकता हो सकती है। अधिक पूर्ण आकलन के लिए रसायनज्ञ परमाणु अर्थव्यवस्था को अन्य मापों के साथ जोड़ते हैं, जैसे E-फैक्टर (अपशिष्ट के द्रव्यमान को उत्पाद के द्रव्यमान से विभाजित करने पर प्राप्त मान) तथा प्रक्रिया में प्रयुक्त द्रव्यमान का सूचकांक (उपयोग किए गए कुल द्रव्यमान को उत्पाद के द्रव्यमान से विभाजित करने पर प्राप्त मान)।

परमाणु अर्थव्यवस्था का इतिहास

बैरी एम. ट्रॉस्ट, जो उस समय विस्कॉन्सिन विश्वविद्यालय और बाद में स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में रसायनज्ञ थे, ने 1991 में Science पत्रिका में प्रकाशित अपने लेख “The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency” में परमाणु अर्थव्यवस्था की अवधारणा प्रस्तुत की। इससे पहले रसायनज्ञ किसी अभिक्रिया का आकलन मुख्यतः उसकी उपज से करते थे: प्राप्त उत्पाद की मात्रा सैद्धांतिक अधिकतम के कितनी निकट थी। ट्रॉस्ट के विचार ने एक अलग प्रश्न जोड़ा। अधिक उपज होने पर भी, अभिकारक द्रव्यमान का कितना भाग उत्पाद के बजाय उप-उत्पादों में चला जाता है?

1998 में पॉल अनास्तस और जॉन वॉर्नर की पुस्तक Green Chemistry: Theory and Practice में निर्धारित हरित रसायन के बारह सिद्धांतों में परमाणु अर्थव्यवस्था दूसरा सिद्धांत बन गई। तब से यह रसायन विज्ञान के पाठ्यक्रमों में पढ़ाया जाने वाला और नई संश्लेषण विधियों पर प्रकाशित अनेक शोध-पत्रों में बताया जाने वाला मानक माप बन गया है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

परमाणु अर्थव्यवस्था क्या है?

परमाणु अर्थव्यवस्था रासायनिक अभिक्रिया में अभिकारक द्रव्यमान के उस प्रतिशत को कहते हैं जो वांछित उत्पाद में चला जाता है। इसे उत्पाद के आणविक द्रव्यमान को अभिकारकों के कुल आणविक द्रव्यमान से विभाजित करके, फिर 100 से गुणा करके निकाला जाता है।

परमाणु अर्थव्यवस्था उपज से कैसे अलग है?

उपज यह मापती है कि प्रयुक्त प्रारंभिक सामग्री की मात्रा के आधार पर अभिक्रिया सैद्धांतिक अधिकतम की तुलना में वास्तव में कितना उत्पाद बनाती है। परमाणु अर्थव्यवस्था अलग बात मापती है: केवल अभिक्रिया के रसायन के आधार पर अभिकारक द्रव्यमान का कितना भाग कभी उत्पाद में जा सकता है। किसी अभिक्रिया में उपज अधिक और परमाणु अर्थव्यवस्था कम, दोनों एक साथ हो सकती हैं, यदि उत्पाद के साथ बड़ी मात्रा में उप-उत्पाद द्रव्यमान भी बनता हो।

क्या परमाणु अर्थव्यवस्था 100% हो सकती है?

हाँ। योग अभिक्रियाएँ, जिनमें अभिकारक अणु बिना कोई उप-उत्पाद छोड़े संयोजित होते हैं, 100% परमाणु अर्थव्यवस्था प्राप्त करती हैं। पुनर्विन्यास अभिक्रियाएँ, जिनमें किसी अणु के भीतर परमाणुओं का पुनर्गठन होता है, भी 100% प्राप्त कर सकती हैं। 100% परमाणु अर्थव्यवस्था वाली अभिक्रिया भी कुल मिलाकर खराब विकल्प हो सकती है, यदि उसकी उपज कम हो या उसके अभिकारक खतरनाक हों।

क्या परमाणु अर्थव्यवस्था में विलायक और उत्प्रेरक शामिल होते हैं?

नहीं। अभिक्रिया के दौरान उत्प्रेरक खर्च नहीं होते, इसलिए उन्हें अभिकारक नहीं माना जाता। विलायकों को भी सामान्यतः नहीं गिना जाता, जब तक कि विलायक का कोई भाग उत्पाद में शामिल न हो जाए। इसका अर्थ है कि किसी अभिक्रिया की परमाणु अर्थव्यवस्था अधिक दिखाई दे सकती है, जबकि उसमें विलायक की बड़ी मात्रा का उपयोग हो रहा हो।

अच्छी परमाणु अर्थव्यवस्था क्या होती है?

90% से अधिक को उत्कृष्ट, 70–90% को अच्छी और 50% से कम को ऐसा माना जाता है कि अभिकारक द्रव्यमान का अधिकांश भाग व्यर्थ जाता है। स्वीकार्य मान अभिक्रिया पर निर्भर करता है: बेहतर मार्ग उपलब्ध न होने वाला जटिल उत्पाद, सरल और अधिक मात्रा में बनाए जाने वाले रसायन की तुलना में कम परमाणु अर्थव्यवस्था को उचित ठहरा सकता है।

संतुलित समीकरण में गुणांकों का गणना में उपयोग कैसे किया जाता है?

प्रत्येक अभिकारक और उत्पाद के लिए संतुलित समीकरण के गुणांकों का उपयोग करना आवश्यक है। 2H₂ + O₂ → 2H₂O के लिए अभिकारक द्रव्यमान में 2 × (H₂ का द्रव्यमान) और 1 × (O₂ का द्रव्यमान) जोड़ा जाता है, जबकि उत्पाद द्रव्यमान में 2 × (H₂O का द्रव्यमान) लिया जाता है। गुणांकों को छोड़ देने या असंतुलित समीकरण का उपयोग करने पर ऐसी संख्या मिलती है जो वास्तविक अभिक्रिया को नहीं दर्शाती।

संदर्भ

1. ट्रॉस्ट, बी. एम. (1991)। परमाणु अर्थव्यवस्था—संश्लेषण की दक्षता की खोज। Science, 254(5037), 1471–1477।
2. अनास्तस, पी. टी., और वॉर्नर, जे. सी. (1998)। Green Chemistry: Theory and Practice। ऑक्सफोर्ड यूनिवर्सिटी प्रेस।
3. शेल्डन, आर. ए. (2017)। E-फैक्टर के 25 वर्ष: हरित रसायन और स्थिरता का उदय। Green Chemistry, 19(1), 18–43।