Μάθετε πώς να υπολογίζετε τη θεωρητική απόδοση

Η θεωρητική απόδοση μιας χημικής αντίδρασης είναι η μέγιστη ποσότητα προϊόντων που θα μπορούσε να ληφθεί με την εν λόγω αντίδραση από γνωστές ποσότητες αντιδρώντων, υποθέτοντας ότι η αντίδραση συνεχίζεται έως ότου εξαντληθεί πλήρως το περιοριστικό αντιδραστήριο. Ονομάζεται θεωρητική απόδοση γιατί στην πράξη η ποσότητα του προϊόντος που προβλέπεται από αυτή την απόδοση δεν λαμβάνεται ποτέ, λαμβάνεται πάντα μικρότερη ποσότητα. Αυτό οφείλεται σε διάφορους λόγους, όπως:

• Πειραματικά λάθη στον προσδιορισμό μαζών και όγκων.
• Η παρουσία ακαθαρσιών στα αντιδραστήρια.
• Παρενέργειες που μπορεί να εμφανιστούν.
• Σχηματισμός χημικών ισορροπιών.
• Πρόωρη διακοπή της αντίδρασης (κάτι που είναι ιδιαίτερα προβληματικό όταν αντιμετωπίζουμε αργές αντιδράσεις).

Στον υπολογισμό της θεωρητικής απόδοσης θεωρείται ότι η αντίδραση είναι μη αναστρέψιμη, άρα δεν φθάνει σε κατάσταση ισορροπίας. Επιπλέον, θεωρείται ότι τα αντιδραστήρια που εμπλέκονται αντιδρούν μόνο μέσω της εν λόγω αντίδρασης και δεν υπάρχει άλλη παράλληλη αντίδραση που θα μπορούσε να μειώσει τη διαθεσιμότητα των αντιδραστηρίων.

Ο υπολογισμός της θεωρητικής απόδοσης είναι μια από τις βασικές δεξιότητες κάθε φοιτητή χημείας και είναι επίσης μια από τις πιο συχνές στοιχειομετρικές διαδικασίες υπολογισμού που θα συναντήσετε κατά τη διάρκεια των σπουδών σας.

Το περιοριστικό αντιδραστήριο

Η έννοια του περιοριστικού αντιδραστηρίου είναι κεντρική για τον υπολογισμό της θεωρητικής απόδοσης. Αυτό ορίζεται ως το αντιδρόν που βρίσκεται στη μικρότερη αναλογία, γι’ αυτό και είναι το πρώτο που καταναλώνεται κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης.

Δεδομένου ότι μια χημική αντίδραση δεν μπορεί να συμβεί εάν ένα από τα αντιδρώντα της δεν υπάρχει, τότε τη στιγμή που τελειώνει το περιοριστικό αντιδραστήριο, η αντίδραση σταματά. Αυτό σημαίνει ότι όλα τα προϊόντα δεν παράγονται πλέον και όλα τα άλλα αντιδρώντα δεν καταναλώνονται πλέον. Για το λόγο αυτό, το περιοριστικό αντιδραστήριο καθορίζει πόσο μακριά μπορεί να φτάσει μια αντίδραση. Είναι αυτός που περιορίζει την ποσότητα των προϊόντων που μπορούν να παραχθούν και των αντιδρώντων που μπορούν να καταναλωθούν, και εξ ου και η ονομασία του.

καθημερινό παράδειγμα περιοριστικού αντιδραστηρίου

Για να κατανοήσουμε καλύτερα την έννοια του περιοριστικού αντιδραστηρίου, ας εξετάσουμε την προετοιμασία ενός κέικ. Αυτό το παρασκεύασμα θα μπορούσε να θεωρηθεί ως μια χημική αντίδραση στην οποία τα συστατικά είναι τα αντιδρώντα και το κέικ είναι το μόνο προϊόν.

Η παρασκευή ενός κέικ απαιτεί συγκεκριμένο αριθμό συστατικών, με τον ίδιο τρόπο που μια χημική αντίδραση απαιτεί συγκεκριμένο αριθμό μορίων από κάθε αντιδρών. Ας φανταστούμε ότι μια πολύ απλή συνταγή για κέικ απαιτεί 2 φλιτζάνια αλεύρι, 5 αυγά και 1 φλιτζάνι ζάχαρη. Αυτό θα μπορούσε να γραφτεί ως:

Ας κάνουμε τώρα την εξής ερώτηση: πόσα κέικ μπορούμε να ετοιμάσουμε αν ανοίγοντας το ψυγείο διαπιστώσουμε ότι υπάρχουν 30 αυγά, 10 φλιτζάνια αλεύρι και 8 φλιτζάνια ζάχαρη;

Μπορούμε να το συμπεράνουμε προσδιορίζοντας χωριστά τον αριθμό των κέικ που θα μπορούσαμε να ετοιμάσουμε με κάθε υλικό:

• Με 30 αυγά θα μπορούσαμε να φτιάξουμε 6 κέικ, αφού το καθένα θέλει 5 αυγά.
• Με 10 φλιτζάνια αλεύρι θα μπορούσαμε να ετοιμάσουμε 5 κέικ.
• 8 φλιτζάνια ζάχαρη αρκούν για 8 κέικ

Τώρα αναρωτιόμαστε, πόσα κέικ μπορούμε πραγματικά να φτιάξουμε, 5, 6 ή 8; Η απάντηση φυσικά είναι 5. Το σκεπτικό είναι ότι με την ποσότητα του αλευριού που έχουμε δεν μπορούμε να φτιάξουμε πάνω από 5 κέικ. Όλα τα υπόλοιπα υλικά αρκούν για ακόμα περισσότερα, αλλά αφού γίνει το πέμπτο κέικ, δεν θα υπάρχει άλλο αλεύρι για να φτιάξουμε άλλο ένα και δεν έχει σημασία πόση επιπλέον ζάχαρη ή αυγά μπορεί να έχουμε, αφού χωρίς αυτό το υλικό θα δεν μπορώ να ακολουθήσω τη συνταγή.

Σε αυτήν την περίπτωση, το αλεύρι είναι το περιοριστικό συστατικό (εννοείται ως το περιοριστικό αντιδραστήριο), επειδή περιόρισε τον μέγιστο αριθμό κέικ που μπορούν να παραχθούν σε 5.

Παρεμπιπτόντως, αυτά τα 5 κέικ που μπορούν να παραχθούν από τα συστατικά που έχουμε θα αντιπροσωπεύουν τη θεωρητική απόδοση. Με άλλα λόγια, θεωρητικά θα μπορούσαμε να φτιάξουμε 5 κέικ, αλλά αν σπάσουμε ένα αυγό στη διαδικασία, ρίξουμε ζάχαρη ή κάψουμε ένα από τα κέικ, ο αριθμός των κέικ που μπορούμε πραγματικά να παράξουμε θα μειωθεί.

Διαδικασία υπολογισμού θεωρητικής απόδοσης

Για τον υπολογισμό της θεωρητικής απόδοσης, πρέπει να ξεκινήσετε από την ποσότητα του περιοριστικού αντιδραστηρίου αφού, όπως εξηγήθηκε παραπάνω, όταν τελειώσει πρώτο, αυτό το αντιδραστήριο περιορίζει την ποσότητα των προϊόντων που μπορούν να παραχθούν και τα άλλα αντιδραστήρια που μπορούν να καταναλωθούν.

Παρακάτω είναι ένας πρακτικός και γρήγορος τρόπος για να προσδιορίσετε ποιο είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο και ποια είναι ή είναι τα αντιδρώντα σε περίσσεια.

Προσδιορισμός του περιοριστικού αντιδραστηρίου

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι αναγνώρισης του περιοριστικού αντιδραστηρίου. Ένας τρόπος είναι όπως κάναμε στο παράδειγμα της πίτας: προσδιορίζοντας την ποσότητα προϊόντος που μπορούμε να πάρουμε από κάθε ποσότητα αντιδραστηρίου και, στη συνέχεια, επιλέγοντας το αντιδρών που παράγει τη μικρότερη ποσότητα. Ωστόσο, υπάρχει ένας άλλος πιο πρακτικός και μηχανικός τρόπος για να το κάνετε.

Εξ ορισμού, το περιοριστικό αντιδραστήριο είναι αυτό που βρίσκεται στη χαμηλότερη στοιχειομετρική αναλογία. Αυτό σημαίνει ότι το μόνο που έχουμε να κάνουμε για να αναγνωρίσουμε το περιοριστικό αντιδραστήριο είναι να προσδιορίσουμε τη στοιχειομετρική αναλογία στην οποία βρίσκονται όλα τα αντιδρώντα και στη συνέχεια να επιλέξουμε το μικρότερο.

Ο προσδιορισμός της στοιχειομετρικής αναλογίας είναι τόσο απλός όσο ο υπολογισμός του αριθμού των γραμμομορίων κάθε αντιδρώντος και η διαίρεση του με τον στοιχειομετρικό συντελεστή της ισορροπημένης αντίδρασης.

Παράδειγμα

Ας υποθέσουμε ότι 20 g σιδήρου αντιδρούν με 20 g αερίου οξυγόνου για να παραχθεί οξείδιο του σιδήρου (Fe ₂ O ₃ ). Προσδιορίστε το περιοριστικό αντιδραστήριο της αντίδρασης. Η μοριακή μάζα του σιδήρου είναι 56 g/mol, του αερίου οξυγόνου είναι 32 g/mol και του οξειδίου του σιδήρου είναι 160 g/mol.

Το πρώτο βήμα είναι να γράψετε την ισορροπημένη χημική εξίσωση, η οποία, σε αυτήν την περίπτωση, είναι:

Τώρα, υπολογίζουμε τον αριθμό των γραμμομορίων από τη μάζα και στη συνέχεια τη στοιχειομετρική αναλογία. Αυτό μπορεί να οργανωθεί σε έναν πίνακα για να διευκολύνει τη διαδικασία, ειδικά όταν υπάρχουν πολλά αντιδραστήρια:

Όπως μπορείτε να δείτε, το αντιδρών που βρίσκεται σε μικρότερη αναλογία σε αυτή την περίπτωση είναι ο σίδηρος, επομένως είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο.

Υπολογισμός θεωρητικής απόδοσης

Μόλις μάθουμε ποιο είναι το περιοριστικό αντιδραστήριο, μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε για να πραγματοποιήσουμε όλους τους άλλους στοιχειομετρικούς υπολογισμούς. Αυτό περιλαμβάνει τον υπολογισμό των ποσοτήτων περίσσειας αντιδραστηρίων που μπορούν πραγματικά να καταναλωθούν, προσδιορίζοντας με αυτόν τον τρόπο πόσα από αυτά θα παραμείνουν σε περίσσεια (δεν αντέδρασαν) και, φυσικά, τον υπολογισμό των ποσοτήτων των προϊόντων που θα καταναλωθούν. θεωρητική απόδοση.

Όλοι αυτοί οι υπολογισμοί πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας τις διαφορετικές στοιχειομετρικές σχέσεις που μπορούν να δημιουργηθούν μεταξύ του περιοριστικού αντιδραστηρίου και καθεμιάς από τις άλλες ουσίες που εμπλέκονται στην αντίδραση.

Πρέπει να σημειωθεί ότι εάν μια αντίδραση παράγει περισσότερα από ένα προϊόντα, τότε θα υπάρχει απόδοση για καθένα από τα προϊόντα, αλλά όχι για όλα τα προϊόντα συνολικά.

Παράδειγμα

Συνεχίζοντας με το προηγούμενο παράδειγμα, τώρα θέλουμε να υπολογίσουμε πόσο (σε γραμμάρια) οξειδίου του σιδήρου μπορεί να παραχθεί από 20 g σιδήρου και 20 g αερίου οξυγόνου.

Αυτό που ζητείται είναι να προσδιοριστεί η ποσότητα του προϊόντος που μπορεί να παραχθεί δεδομένων των ποσοτήτων των αντιδρώντων, οπότε αυτό που θέλετε να υπολογίσετε είναι η θεωρητική απόδοση της αντίδρασης. Στο προηγούμενο παράδειγμα προσδιορίσαμε ότι το περιοριστικό αντιδραστήριο σε αυτή την περίπτωση είναι ο σίδηρος, επομένως η ποσότητα του οξειδίου του σιδήρου θα προσδιοριστεί από αυτόν. Αυτό σημαίνει ότι ο υπολογισμός ξεκινά με την ποσότητα του σιδήρου και τελειώνει με μια ποσότητα οξειδίου του σιδήρου, όπως φαίνεται παρακάτω:

βιβλιογραφικές αναφορές

• Brown, T. (2021). Chemistry: The Central Science (11η έκδ.). Λονδίνο, Αγγλία: Εκπαίδευση Pearson.
• Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Χημεία (10η έκδ.). Νέα Υόρκη, Νέα Υόρκη: MCGRAW-HILL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 14 Φεβρουαρίου). 4.4 Αποδόσεις Αντίδρασης – Χημεία 2e | OpenStax . Ανακτήθηκε από https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• Η στοιχειομετρία των χημικών αντιδράσεων. (2020, 29 Οκτωβρίου). Ανακτήθηκε στις 7 Αυγούστου από https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• Οι αποδόσεις των αντιδράσεων . (2020, 30 Οκτωβρίου). Ανακτήθηκε στις 7 Αυγούστου 2021 από https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822