เครื่องคำนวณเศรษฐศาสตร์อะตอม - ประสิทธิภาพปฏิกิริยาเคมี

เครื่องคำนวณเศรษฐศาสตร์อะตอมคืออะไร?

เครื่องคำนวณเศรษฐศาสตร์อะตอมคำนวณว่ามวลของสารตั้งต้นในปฏิกิริยาเคมีมีปริมาณเท่าใดที่เปลี่ยนไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ แทนที่จะกลายเป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่เป็นของเสีย โดยเปรียบเทียบน้ำหนักโมเลกุลของผลิตภัณฑ์กับน้ำหนักโมเลกุลรวมของสารตั้งต้นตามสมการเคมีดุล ผลลัพธ์เป็นค่าร้อยละ เรียกว่าเศรษฐศาสตร์อะตอม

สูตรเศรษฐศาสตร์อะตอม

เศรษฐศาสตร์อะตอมคำนวณได้ดังนี้:

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

โดย A คือเศรษฐศาสตร์อะตอมในรูปเปอร์เซ็นต์ $M_p$ คือน้ำหนักโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ และ $M_r$ คือน้ำหนักโมเลกุลรวมของสารตั้งต้นทั้งหมด

สูตรนี้ใช้สัมประสิทธิ์จากสมการดุล น้ำหนักโมเลกุลของสารตั้งต้นแต่ละชนิดจะคูณด้วยสัมประสิทธิ์ของสารนั้นก่อนนำมาบวกกัน และน้ำหนักโมเลกุลของผลิตภัณฑ์จะคูณด้วยสัมประสิทธิ์ของผลิตภัณฑ์เช่นกัน

นักเคมี Barry M. Trost เสนอแนวคิดเศรษฐศาสตร์อะตอมในปี 1991 เพื่อใช้ประเมินว่าการออกแบบปฏิกิริยามีประสิทธิภาพเพียงใด โดยแยกจากผลการเกิดปฏิกิริยาในทางปฏิบัติ

วิธีคำนวณเศรษฐศาสตร์อะตอม

1. เขียนสมการเคมีดุลของปฏิกิริยา
2. หาน้ำหนักโมเลกุลของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ โดยใช้สัมประสิทธิ์ของผลิตภัณฑ์จากสมการ
3. รวมค่าน้ำหนักโมเลกุลของสารตั้งต้นทั้งหมด โดยคูณแต่ละค่าด้วยสัมประสิทธิ์ของสารนั้น
4. หารน้ำหนักของผลิตภัณฑ์ด้วยน้ำหนักรวมของสารตั้งต้น แล้วคูณด้วย 100

สัมประสิทธิ์จะเขียนไว้หน้าสูตรเช่นเดียวกับที่ปรากฏในสมการ: 2H2O หมายถึงน้ำจำนวนสองหน่วยสูตร หากป้อนสูตรโดยไม่มีสัมประสิทธิ์ จะหมายถึงสมการอีกแบบหนึ่งที่ไม่ดุลและให้คำตอบต่างออกไป

ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวทำละลายไม่นำมาคำนวณ ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้น แต่ไม่ได้ถูกใช้ไป จึงไม่นับเป็นสารตั้งต้น โดยทั่วไปตัวทำละลายก็ไม่ได้กลายเป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์เช่นกัน

ตัวอย่างการคำนวณ: ไฮโดรเจนและออกซิเจน

พิจารณาสมการดุลสำหรับการผลิตน้ำ:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

เมื่อใช้น้ำหนักอะตอม H = 1.008 และ O = 15.999 โดยน้ำหนักทั้งหมดมีหน่วยเป็นกรัมต่อโมล (g/mol):

• 2 H₂ = 2 × 2.016 = 4.032 ก./โมล
• O₂ = 31.998 ก./โมล
• น้ำหนักรวมของสารตั้งต้น = 4.032 + 31.998 = 36.030 ก./โมล
• 2 H₂O = 2 × 18.015 = 36.030 ก./โมล

เศรษฐศาสตร์อะตอม $= (36.030 \div 36.030) \times 100 = 100\%$

อะตอมทุกอะตอมในสารตั้งต้นลงท้ายอยู่ในผลิตภัณฑ์ ดังนั้นเศรษฐศาสตร์อะตอมจึงเท่ากับ 100% ซึ่งเป็นสิ่งที่คาดหมายได้สำหรับสมการดุลที่มีผลิตภัณฑ์เพียงชนิดเดียว เนื่องจากมวลไม่สามารถถูกสร้างขึ้นได้ มวลของผลิตภัณฑ์จึงไม่มีทางมากกว่ามวลรวมของสารตั้งต้นที่ก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์นั้น หากการคำนวณได้ค่ามากกว่า 100% แสดงว่าสมการที่ป้อนยังดุลไม่ถูกต้อง

การเขียนปฏิกิริยาเดียวกันโดยไม่ดุลเป็น H₂ + O₂ → H₂O ไม่ได้อธิบายปฏิกิริยาจริงและให้ตัวเลขที่แตกต่างกันและไม่มีความหมาย: 18.015 ÷ (2.016 + 31.998) × 100 = 52.96% ดังนั้นจึงต้องดุลสมการก่อน

ตัวอย่างการคำนวณ: การสังเคราะห์แอสไพริน

แอสไพรินผลิตจากกรดซาลิไซลิกและแอนไฮไดรด์อะซิติก:

C₇H₆O₃ + C₄H₆O₃ → C₉H₈O₄ + C₂H₄O₂

• กรดซาลิไซลิก (C₇H₆O₃): 138.12 ก./โมล
• แอนไฮไดรด์อะซิติก (C₄H₆O₃): 102.09 ก./โมล
• น้ำหนักรวมของสารตั้งต้น: 240.21 ก./โมล
• แอสไพริน (C₉H₈O₄ ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ): 180.16 ก./โมล

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

มวลที่เหลืออีก 25% ออกจากปฏิกิริยาในรูปกรดอะซิติก ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้ ในการผลิตระดับอุตสาหกรรม กรดอะซิติกนี้มักถูกนำกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งช่วยชดเชยการสูญเสียได้

การอ่านผลลัพธ์

• 90–100%: อะตอมส่วนใหญ่ของสารตั้งต้นลงท้ายอยู่ในผลิตภัณฑ์ เป็นลักษณะทั่วไปของปฏิกิริยาเติม ซึ่งไม่มีสิ่งใดเหลือเป็นของเสีย
• 70–90%: มีประสิทธิภาพดี พบได้ทั่วไปในปฏิกิริยาที่มีตัวเร่งปฏิกิริยาหลายชนิด
• 50–70%: อยู่ในระดับปานกลาง ปฏิกิริยาแทนที่ซึ่งปล่อยหมู่หลุดออกเป็นของเสียมักอยู่ในช่วงนี้
• ต่ำกว่า 50%: มวลส่วนใหญ่ของสารตั้งต้นกลายเป็นของเสียแทนที่จะเป็นผลิตภัณฑ์

ช่วงเหล่านี้เป็นเพียงแนวทางคร่าว ๆ สารตัวกลางทางเภสัชกรรมที่ซับซ้อนและไม่มีเส้นทางที่สะอาดกว่านี้อาจถือว่ายอมรับได้ที่ 65% ขณะที่สารเคมีพื้นฐานที่ผลิตในปริมาณมากและมีทางเลือกที่ถูกกว่าจะไม่ถือว่ายอมรับได้

สิ่งที่เศรษฐศาสตร์อะตอมไม่ได้วัด

เศรษฐศาสตร์อะตอมคำนึงเฉพาะสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ที่เขียนไว้ในสมการดุล ไม่รวมตัวทำละลาย ตัวเร่งปฏิกิริยา และพลังงานที่ใช้ในการดำเนินปฏิกิริยา ปฏิกิริยาอาจมีเศรษฐศาสตร์อะตอมสูงแต่ยังใช้ตัวทำละลายปริมาณมาก หรือต้องใช้อุณหภูมิหรือความดันสูงมาก เพื่อให้เห็นภาพครบถ้วนยิ่งขึ้น นักเคมีจะใช้เศรษฐศาสตร์อะตอมร่วมกับตัวชี้วัดอื่น เช่น E-factor (มวลของเสียหารด้วยมวลผลิตภัณฑ์) และดัชนีมวลของกระบวนการ (มวลรวมที่ใช้หารด้วยมวลผลิตภัณฑ์)

ประวัติของเศรษฐศาสตร์อะตอม

Barry M. Trost ซึ่งขณะนั้นเป็นนักเคมีอยู่ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซินและต่อมาที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ได้เสนอแนวคิดเศรษฐศาสตร์อะตอมในบทความที่ตีพิมพ์ในปี 1991 ในนิตยสาร Science ชื่อ “The Atom Economy—A Search for Synthetic Efficiency” ก่อนหน้านั้น นักเคมีส่วนใหญ่มักประเมินปฏิกิริยาจากผลได้ ซึ่งหมายถึงปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ได้ใกล้เคียงกับค่าสูงสุดตามทฤษฎีเพียงใด แนวคิดของ Trost เพิ่มคำถามอีกประการหนึ่งว่า แม้ผลได้จะสูง มวลของสารตั้งต้นมีปริมาณเท่าใดที่กลายเป็นผลิตภัณฑ์พลอยได้แทนที่จะเป็นผลิตภัณฑ์?

ในปี 1998 เศรษฐศาสตร์อะตอมกลายเป็นหลักการข้อที่สองในหลักการสิบสองประการของเคมีสีเขียว ซึ่ง Paul Anastas และ John Warner กำหนดไว้ในหนังสือ Green Chemistry: Theory and Practice นับแต่นั้นมา เศรษฐศาสตร์อะตอมได้กลายเป็นตัวชี้วัดมาตรฐานที่สอนในหลักสูตรเคมีและรายงานในบทความวิจัยจำนวนมากเกี่ยวกับวิธีสังเคราะห์แบบใหม่

คำถามที่พบบ่อย

เศรษฐศาสตร์อะตอมคืออะไร?

เศรษฐศาสตร์อะตอมคือร้อยละของมวลสารตั้งต้นในปฏิกิริยาเคมีที่ลงท้ายอยู่ในผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ ค่านี้หาได้โดยนำน้ำหนักโมเลกุลของผลิตภัณฑ์หารด้วยน้ำหนักโมเลกุลรวมของสารตั้งต้น แล้วคูณด้วย 100

เศรษฐศาสตร์อะตอมแตกต่างจากผลได้อย่างไร?

ผลได้วัดว่าปฏิกิริยาผลิตผลิตภัณฑ์จริงได้มากเพียงใดเมื่อเทียบกับค่าสูงสุดตามทฤษฎี โดยพิจารณาจากปริมาณสารตั้งต้นที่ใช้ เศรษฐศาสตร์อะตอมวัดสิ่งที่แตกต่างกัน คือมวลของสารตั้งต้นมีปริมาณเท่าใดที่สามารถลงท้ายอยู่ในผลิตภัณฑ์ได้ตามหลักเคมีของปฏิกิริยาเพียงอย่างเดียว ปฏิกิริยาอาจมีผลได้สูงแต่เศรษฐศาสตร์อะตอมต่ำพร้อมกันได้ หากเกิดมวลผลิตภัณฑ์พลอยได้จำนวนมากควบคู่กับผลิตภัณฑ์

เศรษฐศาสตร์อะตอมสามารถเท่ากับ 100% ได้หรือไม่?

ได้ ปฏิกิริยาเติม ซึ่งโมเลกุลของสารตั้งต้นรวมตัวกันโดยไม่ปล่อยผลิตภัณฑ์พลอยได้ สามารถมีเศรษฐศาสตร์อะตอมเท่ากับ 100% ปฏิกิริยาการจัดเรียงใหม่ ซึ่งจัดเรียงอะตอมภายในโมเลกุลใหม่ ก็สามารถมีค่า 100% ได้เช่นกัน ปฏิกิริยาที่มีเศรษฐศาสตร์อะตอม 100% ก็ยังอาจเป็นทางเลือกโดยรวมที่ไม่ดี หากมีผลได้ต่ำหรือใช้สารตั้งต้นที่เป็นอันตราย

เศรษฐศาสตร์อะตอมรวมตัวทำละลายและตัวเร่งปฏิกิริยาหรือไม่?

ไม่รวม ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ถูกใช้ไปในระหว่างปฏิกิริยา จึงไม่นับเป็นสารตั้งต้น โดยทั่วไปตัวทำละลายก็ไม่นับเช่นกัน เว้นแต่ส่วนหนึ่งของตัวทำละลายจะเข้าไปเป็นส่วนประกอบของผลิตภัณฑ์ นั่นหมายความว่าปฏิกิริยาอาจแสดงเศรษฐศาสตร์อะตอมสูงทั้งที่ยังใช้ตัวทำละลายในปริมาณมาก

เศรษฐศาสตร์อะตอมที่ดีคือเท่าใด?

ค่ามากกว่า 90% ถือว่ายอดเยี่ยม ค่า 70–90% ถือว่าดี และค่าต่ำกว่า 50% บ่งชี้ว่ามวลส่วนใหญ่ของสารตั้งต้นสูญเปล่า สิ่งที่ถือว่ายอมรับได้ขึ้นอยู่กับปฏิกิริยา ผลิตภัณฑ์ที่ซับซ้อนและไม่มีเส้นทางที่ดีกว่าอาจยอมรับเศรษฐศาสตร์อะตอมที่ต่ำกว่าสารเคมีอย่างง่ายที่ผลิตในปริมาณมาก

สัมประสิทธิ์ในสมการดุลใช้ในการคำนวณอย่างไร?

สารตั้งต้นทุกชนิดและผลิตภัณฑ์ต้องใช้สัมประสิทธิ์จากสมการดุล สำหรับ 2H₂ + O₂ → 2H₂O น้ำหนักของสารตั้งต้นใช้ 2 × (น้ำหนักของ H₂) บวกกับ 1 × (น้ำหนักของ O₂) ส่วนน้ำหนักของผลิตภัณฑ์ใช้ 2 × (น้ำหนักของ H₂O) การละเว้นสัมประสิทธิ์หรือใช้สมการที่ไม่ดุลจะให้ตัวเลขที่ไม่อธิบายปฏิกิริยาจริง

เอกสารอ้างอิง

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.