Ismerje meg az elméleti hozam kiszámítását

A kémiai reakció elméleti hozama az a maximális termékmennyiség, amelyet a reakció során ismert mennyiségű reagensből nyerhetünk, feltételezve, hogy a reakció addig megy végbe, amíg a korlátozó reagens teljesen el nem fogy. Elméleti hozamnak nevezzük, mert a gyakorlatban soha nem kapjuk meg az ezzel a hozammal megjósolt termékmennyiséget, mindig kisebb mennyiséget kapunk. Ennek számos oka lehet, többek között:

• Kísérleti hibák a tömegek és térfogatok meghatározásánál.
• Szennyeződések jelenléte a reagensekben.
• Előforduló mellékreakciók.
• Kémiai egyensúlyok kialakulása.
• A reakció idő előtti leállítása (ami különösen problémás lassú reakciók esetén).

Az elméleti hozam számításánál feltételezzük, hogy a reakció irreverzibilis, így nem jut egyensúlyi állapotba. Továbbá feltételezzük, hogy az érintett reagensek csak a kérdéses reakción keresztül reagálnak, és nincs más párhuzamos reakció, amely csökkenthetné a reagensek elérhetőségét.

Az elméleti hozam kiszámítása minden vegyészhallgató egyik alapkészsége, és egyben az egyik leggyakoribb sztöchiometrikus számítási eljárás, amellyel tanulmányai során találkozhat.

A korlátozó reagens

A korlátozó reagens koncepciója központi szerepet játszik az elméleti hozam kiszámításában. Ez az a reagens, amely a legkisebb arányban található, ezért ez az első, amely elfogy a kémiai reakció során.

Mivel kémiai reakció nem mehet végbe, ha az egyik reagens nincs jelen, ezért abban a pillanatban, amikor a korlátozó reagens befejeződik, a reakció leáll. Ez azt jelenti, hogy már nem gyártanak minden terméket, és nem fogyasztanak el minden más reagenst. Emiatt a korlátozó reagens határozza meg, meddig mehet el a reakció; ez az, amely korlátozza az előállítható termékek és a felhasználható reagensek mennyiségét, és innen ered a neve is.

mindennapi példa a korlátozó reagensre

A korlátozó reagens fogalmának jobb megértéséhez vegyük fontolóra a torta elkészítését. Ez a készítmény olyan kémiai reakciónak tekinthető, amelyben az összetevők a reagensek, és a torta az egyetlen termék.

A sütemény elkészítéséhez meghatározott számú összetevőre van szükség, ugyanúgy, ahogy egy kémiai reakcióhoz minden egyes reagensből meghatározott számú molekula szükséges. Képzeljük el, hogy egy nagyon egyszerű süteményrecepthez 2 csésze liszt, 5 tojás és 1 csésze cukor szükséges. Ezt így lehetne írni:

Most tegyük fel magunknak a következő kérdést: hány süteményt készíthetünk, ha a hűtőszekrény kinyitásakor azt látjuk, hogy 30 tojás, 10 csésze liszt és 8 csésze cukor van?

Erre úgy következtethetünk, hogy külön-külön meghatározzuk az egyes összetevőkből elkészíthető sütemények számát:

• 30 tojásból 6 tortát készíthetünk, hiszen mindegyikhez 5 tojás kell.
• 10 csésze liszttel 5 süteményt tudtunk elkészíteni.
• 8 csésze cukor 8 süteményhez elég

Most feltesszük magunknak a kérdést, hogy valójában hány tortát tudunk elkészíteni, 5-öt, 6-ot vagy 8-at? A válasz természetesen 5. Az indoklás az, hogy a rendelkezésünkre álló lisztmennyiséggel nem tudunk 5-nél többet készíteni. Az összes többi hozzávaló még többre is elég, de az ötödik sütemény elkészítése után már nem lesz liszt a másik elkészítéséhez, és nem mindegy, hogy mennyi plusz cukrunk vagy tojásunk van, hiszen az összetevő nélkül nem tudja követni a receptet.

Ebben az esetben a liszt a limitáló összetevő (határozó reagensként értendő), mert ezzel 5-re korlátozta az elkészíthető sütemények maximális számát.

Egyébként ez az 5 sütemény, ami a rendelkezésünkre álló alapanyagokból elkészíthető, az elméleti hozamot képviselné. Vagyis elméletileg 5 tortát készíthetnénk, de ha közben feltörünk egy tojást, kiborítjuk a cukrot, vagy megégetjük az egyik süteményt, akkor a ténylegesen elkészíthető sütemények száma csökken.

Az elméleti hozam kiszámításának eljárása

Az elméleti hozam kiszámításához a korlátozó reagens mennyiségéből kell kiindulni, mivel, amint azt fentebb kifejtettük, először ez a reagens korlátozza az előállítható termékek és a többi felhasználható reagens mennyiségét.

Az alábbiakban egy praktikus és gyors módszert mutatunk be annak meghatározására, hogy melyik a korlátozó reagens, és melyik a feleslegben lévő reagens.

A korlátozó reagens meghatározása

A korlátozó reagens azonosítására többféle módszer létezik. Az egyik mód olyan, mint a torta példában: meghatározzuk a termék mennyiségét, amelyet minden reagensmennyiségből nyerhetünk, majd kiválasztjuk azt a reagenst, amely a legkevesebb mennyiséget termeli. Van azonban ennek egy másik praktikusabb és mechanikusabb módja is.

A definíció szerint a korlátozó reagens az, amelyik a legalacsonyabb sztöchiometrikus arányban van. Ez azt jelenti, hogy a korlátozó reagens azonosításához csak annyit kell tennünk, hogy meghatározzuk azt a sztöchiometrikus arányt, amelyben az összes reagens van, majd kiválasztjuk a legkisebbet.

A sztöchiometrikus arány meghatározása olyan egyszerű, mint az egyes reagensek mólszámának kiszámítása, és elosztása a kiegyensúlyozott reakció sztöchiometrikus együtthatójával.

Példa

Tegyük fel, hogy 20 g vasat reagáltatunk 20 g oxigéngázzal vas-oxid (Fe ₂ O ₃ ) keletkezése érdekében. Határozza meg a reakció határértékét! A vas moláris tömege 56 g/mol, az oxigéngázé 32 g/mol, a vas-oxidé pedig 160 g/mol.

Az első lépés a kiegyensúlyozott kémiai egyenlet felírása, amely ebben az esetben a következő:

Most a tömegből számítjuk ki a mólok számát , majd a sztöchiometrikus arányt. Ez táblázatba rendezhető a folyamat megkönnyítése érdekében, különösen, ha sok reagens van:

Mint látható, ebben az esetben a kisebb arányban lévő reagens a vas, tehát ez a korlátozó reagens.

Az elméleti hozam számítása

Ha tudjuk, hogy mi a korlátozó reagens, felhasználhatjuk az összes többi sztöchiometrikus számítás elvégzésére. Ebbe beletartozik a ténylegesen elfogyasztható többlet reagensek mennyiségének kiszámítása, így meghatározva, hogy mennyi marad belőlük feleslegben (reagálatlan), és természetesen az elfogyasztott termékek mennyiségét is. elméleti hozam.

Mindezeket a számításokat a korlátozó reagens és a reakcióban részt vevő összes többi anyag között megállapítható különböző sztöchiometrikus kapcsolatok felhasználásával végezzük.

Meg kell jegyezni, hogy ha egy reakció egynél több terméket hoz létre, akkor mindegyik termékre lesz hozam, de nem az összes termék egészére.

Példa

Folytatva az előző példát, most azt szeretnénk kiszámolni, hogy 20 g vasból és 20 g oxigéngázból mennyi (grammban) vas-oxid állítható elő.

A kérdés az, hogy a reaktánsok mennyisége alapján határozzuk meg az előállítható termék mennyiségét, tehát a reakció elméleti hozamát szeretnénk kiszámolni. Az előző példában meghatároztuk, hogy ebben az esetben a korlátozó reagens a vas, így a vas-oxid mennyiségét ebből határozzuk meg. Ez azt jelenti, hogy a számítás a vas mennyiségével kezdődik és a vas-oxid mennyiségével fejeződik be, az alábbiak szerint:

Hivatkozások

• Brown, T. (2021). Kémia: A központi tudomány (11. kiadás). London, Anglia: Pearson Education.
• Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS és Herranz, ZR (2020). Kémia (10. kiadás). New York City, NY: MCGRAW-HILL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R. és Robinson, WR (2019c, február 14.). 4.4 Reakcióhozamok – Kémia 2e | OpenStax . Letöltve: https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• A kémiai reakciók sztöchiometriája. (2020, október 29.). Letöltve augusztus 7-én innen: https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• A reakciók hozamai . (2020. október 30.). Letöltve 2021. augusztus 7-én innen: https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822