Dowiedz się, jak obliczyć wydajność teoretyczną

Teoretyczna wydajność reakcji chemicznej to maksymalna ilość produktów, jaką można otrzymać w tej reakcji ze znanych ilości reagentów, przy założeniu, że reakcja przebiega aż do całkowitego wyczerpania reagenta ograniczającego. Nazywa się to wydajnością teoretyczną, ponieważ w praktyce nigdy nie uzyskuje się ilości produktu przewidzianej na podstawie tej wydajności, zawsze otrzymuje się mniejszą ilość. Wynika to z różnych przyczyn, m.in.:

• Błędy doświadczalne w wyznaczaniu mas i objętości.
• Obecność zanieczyszczeń w odczynnikach.
• Reakcje niepożądane, które mogą wystąpić.
• Tworzenie równowagi chemicznej.
• Przedwczesne zatrzymanie reakcji (co jest szczególnie problematyczne w przypadku reakcji powolnych).

W obliczeniach wydajności teoretycznej przyjmuje się, że reakcja jest nieodwracalna, a więc nie dochodzi do stanu równowagi. Ponadto zakłada się, że zaangażowane reagenty reagują tylko za pomocą danej reakcji i nie ma innej równoległej reakcji, która mogłaby zmniejszyć dostępność reagentów.

Obliczanie wydajności teoretycznej to jedna z podstawowych umiejętności każdego studenta chemii, a także jedna z najczęstszych procedur obliczeń stechiometrycznych, z którymi spotkasz się na studiach.

Odczynnik ograniczający

Koncepcja odczynnika ograniczającego ma kluczowe znaczenie dla obliczenia wydajności teoretycznej. Definiuje się go jako reagent występujący w najmniejszej proporcji, dlatego jest on zużywany jako pierwszy w przebiegu reakcji chemicznej.

Ponieważ reakcja chemiczna nie może wystąpić, jeśli jeden z jej reagentów nie jest obecny, to w momencie zakończenia reagenta ograniczającego reakcja zatrzymuje się. Oznacza to, że wszystkie produkty nie są już produkowane, a wszystkie inne reagenty nie są już zużywane. Z tego powodu odczynnik ograniczający określa, jak daleko może zajść reakcja; to ten, który ogranicza ilość produktów, które można wytworzyć, i reagentów, które można zużyć, stąd jego nazwa.

codzienny przykład odczynnika ograniczającego

Aby lepiej zrozumieć koncepcję odczynnika ograniczającego, rozważmy przygotowanie ciasta. To przygotowanie można uznać za reakcję chemiczną, w której składniki są reagentami, a ciasto jest jedynym produktem.

Przygotowanie ciasta wymaga określonej liczby składników, tak samo jak reakcja chemiczna wymaga określonej liczby cząsteczek każdego reagenta. Wyobraźmy sobie, że bardzo prosty przepis na ciasto wymaga 2 szklanek mąki, 5 jajek i 1 szklanki cukru. Można to zapisać jako:

Zadajmy sobie teraz pytanie: ile ciast możemy przygotować, jeśli po otwarciu lodówki okaże się, że jest w niej 30 jajek, 10 szklanek mąki i 8 szklanek cukru?

Możemy to wywnioskować, określając osobno liczbę ciast, które moglibyśmy przygotować z każdym składnikiem:

• Z 30 jaj moglibyśmy zrobić 6 ciast, ponieważ każde wymaga 5 jaj.
• Z 10 szklanek mąki mogliśmy przygotować 5 ciast.
• 8 szklanek cukru wystarczy na 8 ciast

Teraz zadajemy sobie pytanie, ile tak naprawdę ciast możemy upiec, 5, 6 czy 8? Odpowiedź brzmi oczywiście 5. Powodem jest to, że przy takiej ilości mąki, jaką mamy, nie możemy upiec więcej niż 5 ciast. Wszystkie inne składniki wystarczą na jeszcze więcej, ale po upieczeniu piątego ciasta nie będzie już mąki na kolejne i nie ma znaczenia, ile mamy dodatkowego cukru lub jajek, bo bez tego składnika będziemy nie móc trzymać się przepisu.

W tym przypadku mąka jest składnikiem ograniczającym (rozumianym jako reagent ograniczający), ponieważ ogranicza maksymalną liczbę ciast, które można wyprodukować do 5.

Nawiasem mówiąc, te 5 ciastek, które można wyprodukować ze składników, które mamy, reprezentuje teoretyczną wydajność. Innymi słowy, teoretycznie moglibyśmy zrobić 5 ciastek, ale jeśli w trakcie tego procesu rozbijemy jajko, rozsypiemy cukier lub spalimy jedno z ciastek, liczba ciastek, które faktycznie możemy wyprodukować, zmniejszy się.

Procedura obliczania wydajności teoretycznej

Aby obliczyć teoretyczną wydajność, należy zacząć od ilości reagenta ograniczającego, ponieważ, jak wyjaśniono powyżej, odczynnik ten, gdy skończy się jako pierwszy, ogranicza ilość produktów, które można wytworzyć, i innych reagentów, które można zużyć.

Poniżej znajduje się praktyczny i szybki sposób określenia, który reagent jest ograniczeniem, a który jest lub jest reagentem w nadmiarze.

Oznaczanie odczynnika ograniczającego

Istnieje kilka sposobów identyfikacji ograniczającego reagenta. Jednym ze sposobów jest to, co zrobiliśmy w przykładzie kołowym: określając ilość produktu, jaką możemy uzyskać z każdej ilości reagenta, a następnie wybierając reagent, który wytwarza najmniejszą ilość. Istnieje jednak inny, bardziej praktyczny i mechaniczny sposób, aby to zrobić.

Z definicji reagentem ograniczającym jest ten, który jest w najniższej proporcji stechiometrycznej. Oznacza to, że wszystko, co musimy zrobić, aby zidentyfikować reagent ograniczający, to określić stosunek stechiometryczny, w jakim znajdują się wszystkie reagenty, a następnie wybrać najmniejszy.

Określenie stosunku stechiometrycznego jest tak proste, jak obliczenie liczby moli każdego reagenta i podzielenie jej przez współczynnik stechiometryczny zrównoważonej reakcji.

Przykład

Załóżmy, że 20 g żelaza poddaje się reakcji z 20 g gazowego tlenu w celu wytworzenia tlenku żelaza (Fe ₂ O ₃ ). Określ reagent ograniczający reakcję. Masa molowa żelaza wynosi 56 g/mol, tlenu 32 g/mol, a tlenku żelaza 160 g/mol.

Pierwszym krokiem jest napisanie zbilansowanego równania chemicznego, które w tym przypadku wygląda następująco:

Teraz obliczamy liczbę moli z masy, a następnie stosunek stechiometryczny. Można to zorganizować w tabeli, aby ułatwić proces, zwłaszcza gdy istnieje wiele odczynników:

Jak widać, reagentem, który jest w tym przypadku w mniejszej proporcji, jest żelazo, więc jest reagentem ograniczającym.

Obliczanie wydajności teoretycznej

Kiedy już wiemy, jaki jest reagent ograniczający, możemy go użyć do przeprowadzenia wszystkich innych obliczeń stechiometrycznych. Obejmuje to obliczanie ilości nadmiarowych reagentów, które można faktycznie zużyć, określając w ten sposób, ile z nich pozostanie w nadmiarze (nieprzereagowanych), i oczywiście obliczanie ilości produktów, które zostaną zużyte. wydajność teoretyczna.

Wszystkie te obliczenia są przeprowadzane przy użyciu różnych zależności stechiometrycznych, które można ustalić między reagentem ograniczającym a każdą inną substancją biorącą udział w reakcji.

Należy zauważyć, że jeśli reakcja generuje więcej niż jeden produkt, to wydajność będzie przypadać na każdy z produktów, ale nie na wszystkie produkty jako całość.

Przykład

Kontynuując poprzedni przykład, chcemy teraz obliczyć, ile (w gramach) tlenku żelaza można wytworzyć z 20 g żelaza i 20 g tlenu.

Prosi się o określenie ilości produktu, który można wytworzyć, biorąc pod uwagę ilości reagentów, więc to, co chcesz obliczyć, to teoretyczna wydajność reakcji. W poprzednim przykładzie ustaliliśmy, że odczynnikiem ograniczającym w tym przypadku jest żelazo, więc z niego zostanie określona ilość tlenku żelaza. Oznacza to, że obliczenia rozpoczynają się od ilości żelaza, a kończą na ilości tlenku żelaza, jak pokazano poniżej:

Bibliografia

• Brązowy, T. (2021). Chemia: The Central Science (wyd. 11). Londyn, Anglia: Pearson Education.
• Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS i Herranz, ZR (2020). Chemia (wyd. 10). Nowy Jork, NY: MCGRAW-HILL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R. i Robinson, WR (2019c, 14 lutego). 4.4 Wydajność reakcji – Chemia 2e | OpenStax . Pobrane z https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• Stechiometria reakcji chemicznych. (2020, 29 października). Pobrano 7 sierpnia z https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• Wydajności reakcji . (2020, 30 października). Pobrano 7 sierpnia 2021 r. z https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822