이론적 수율 계산 방법 알아보기

화학 반응의 이론적 수율은 한계 반응물이 완전히 소진될 때까지 반응이 진행된다고 가정할 때 알려진 양의 반응물로부터 해당 반응에 의해 얻을 수 있는 최대 생성물의 양입니다. 실제로는 이 수율로 예측한 제품의 양이 결코 얻어지지 않고 항상 더 적은 양이 얻어지기 때문에 이론 수율이라고 합니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

• 질량 및 부피 결정의 실험적 오류.
• 시약에 불순물이 존재합니다.
• 발생할 수 있는 부작용.
• 화학 평형의 형성.
• 반응을 조기에 중지(느린 반응을 처리할 때 특히 문제가 됨).

이론적 수율 계산에서 반응은 비가역적이므로 평형 상태에 도달하지 않는 것으로 가정합니다. 또한 관련된 시약은 해당 반응에 의해서만 반응하고 시약의 가용성을 감소시킬 수 있는 다른 병렬 반응은 없다고 가정합니다.

이론적 수율 계산은 모든 화학 학생의 기본 기술 중 하나이며 연구 중에 접하게 될 가장 빈번한 화학양론적 계산 절차 중 하나이기도 합니다.

제한 시약

제한 시약의 개념은 이론적 수율 계산의 핵심입니다. 이것은 가장 작은 비율로 발견되는 반응물로 정의되며, 이것이 화학 반응 과정에서 가장 먼저 소비되는 이유입니다.

반응물 중 하나가 없으면 화학 반응이 일어날 수 없기 때문에 제한 반응물이 끝나는 순간 반응이 중지됩니다. 이는 모든 제품이 더 이상 생산되지 않고 다른 모든 반응물이 더 이상 소비되지 않음을 의미합니다. 이러한 이유로 제한 시약은 반응이 얼마나 멀리 갈 수 있는지를 결정합니다. 그것은 생산될 수 있는 제품과 소비될 수 있는 반응물의 양을 제한하는 것이므로 그 이름입니다.

제한 시약의 일상적인 예

제한 시약의 개념을 더 잘 이해하기 위해 케이크 준비를 고려해 봅시다. 이 준비는 성분이 반응물이고 케이크가 유일한 제품인 화학 반응으로 간주될 수 있습니다.

화학 반응이 각 반응물의 특정 수의 분자를 필요로 하는 것과 같은 방식으로 케이크를 준비하려면 특정 수의 재료가 필요합니다. 매우 간단한 케이크 레시피에 밀가루 2컵, 달걀 5개, 설탕 1컵이 필요하다고 상상해 봅시다. 이것은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

이제 스스로에게 다음 질문을 해봅시다. 냉장고를 열었을 때 계란 30개, 밀가루 10컵, 설탕 8컵이 있다면 얼마나 많은 케이크를 준비할 수 있을까요?

각 재료로 준비할 수 있는 케이크의 수를 별도로 결정하여 이를 추론할 수 있습니다.

• 계란 30개로 케이크 6개를 만들 수 있습니다. 하나당 계란 5개가 필요하기 때문입니다.
• 밀가루 10컵으로 케이크 5개를 만들 수 있었습니다.
• 설탕 8컵이면 케이크 8개에 충분합니다.

이제 우리는 스스로에게 묻습니다. 우리는 정말 얼마나 많은 케이크를 만들 수 있습니까? 5개, 6개 또는 8개? 물론 대답은 5입니다. 그 이유는 우리가 가지고 있는 밀가루의 양으로는 케이크를 5개 이상 만들 수 없기 때문입니다. 다른 모든 재료는 더 많은 것을 만들기에 충분하지만 다섯 번째 케이크를 만든 후에는 다른 케이크를 만들기 위한 밀가루가 더 이상 없을 것이며 우리가 얼마나 많은 설탕이나 계란을 가지고 있는지는 중요하지 않습니다. 레시피를 따라 할 수 없습니다.

이 경우 밀가루는 생산할 수 있는 케이크의 최대 수를 5개로 제한했기 때문에 제한 성분(제한 시약으로 이해됨)입니다.

그런데, 우리가 가지고 있는 재료로 만들 수 있는 이 5개의 케이크는 이론적인 수율을 나타내게 됩니다. 즉, 이론적으로 5개의 케이크를 만들 수 있지만, 그 과정에서 계란을 깨거나, 설탕을 흘리거나, 케이크 중 하나를 태우면 실제로 생산할 수 있는 케이크의 수가 줄어듭니다.

이론적 수율 계산 절차

이론적 수율을 계산하려면 제한 시약의 양부터 시작해야 합니다. 위에서 설명한 것처럼 먼저 완료되면 이 시약이 생산할 수 있는 제품의 양과 소비할 수 있는 다른 시약의 양을 제한하기 때문입니다.

다음은 어떤 것이 제한 반응물이고 어떤 것이 초과 반응물인지를 결정하는 실용적이고 빠른 방법입니다.

제한 시약의 결정

제한 반응물을 식별하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 한 가지 방법은 파이 예제에서 했던 것과 같습니다. 각 반응물의 양에서 얻을 수 있는 제품의 양을 결정한 다음 가장 적은 양을 생성하는 반응물을 선택합니다. 그러나 이를 수행하는 또 다른 실용적이고 기계적인 방법이 있습니다.

정의에 따르면 제한 반응물은 화학양론적 비율이 가장 낮은 반응물입니다. 즉, 제한 반응물을 식별하기 위해 우리가 해야 할 일은 모든 반응물의 화학양론적 비율을 결정한 다음 가장 작은 것을 선택하는 것입니다.

화학량론적 비율을 결정하는 것은 각 반응물의 몰수를 계산하고 이를 균형 반응의 화학량론적 계수로 나누는 것만큼 간단합니다.

예

20g의 철이 20g의 산소 가스와 반응하여 산화철(Fe ₂ O ₃ )을 생성한다고 가정합니다. 반응의 한계 반응물을 결정하십시오. 철의 몰 질량은 56g/mol, 산소 기체의 몰 질량은 32g/mol, 산화철의 몰 질량은 160g/mol입니다.

첫 번째 단계는 균형 화학 방정식을 작성하는 것입니다. 이 경우에는 다음과 같습니다.

이제 질량 에서 몰수를 계산 한 다음 화학양론비를 계산합니다. 이것은 특히 시약이 많은 경우 프로세스를 더 쉽게 하기 위해 표로 정리할 수 있습니다.

보시다시피 이 경우 비율이 낮은 반응물은 철이므로 제한 반응물입니다.

이론적 수율 계산

제한 반응물이 무엇인지 알게 되면 이를 사용하여 다른 모든 화학양론적 계산을 수행할 수 있습니다. 여기에는 실제로 소비될 수 있는 과잉 반응물의 양을 계산하여 과잉(미반응) 상태로 남아 있는 반응물의 양을 결정하는 것과 물론 소비될 제품의 양을 계산하는 것이 포함됩니다. 이론적 수율.

이러한 모든 계산은 제한 시약과 반응에 관련된 각각의 다른 물질 간에 확립될 수 있는 다양한 화학양론적 관계를 사용하여 수행됩니다.

반응이 하나 이상의 생성물을 생성하는 경우, 각 생성물에 대한 수율이 있지만 전체적으로 모든 생성물에 대한 수율은 없다는 점에 유의해야 합니다.

예

이전 예에서 계속해서 철 20g과 산소 가스 20g에서 생성할 수 있는 산화철의 양(그램 단위)을 계산하려고 합니다.

주어진 반응물의 양에 따라 생성될 수 있는 생성물의 양을 결정하는 것이므로 계산하려는 것은 반응의 이론적 수율입니다. 이전 예에서 우리는 이 경우 제한 시약이 철이라고 결정했기 때문에 산화철의 양이 결정될 것입니다. 이것은 계산이 아래와 같이 철의 양으로 시작하여 산화철의 양으로 끝난다는 것을 의미합니다.

참조

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• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 2월 14일). 4.4 반응 수율 – 화학 2e | 오픈스택스 . https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields 에서 가져옴
• 화학 반응의 화학양론. (2020년 10월 29일). https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816 에서 8월 7일 검색됨
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