เปอร์เซ็นต์ผลตอบแทน

ปฏิกิริยาเคมีในโลกแห่งความจริงไม่ได้เป็นไปตามที่คาดการณ์ไว้บนกระดาษเสมอไป ในระหว่างการทดลอง มีหลายสิ่งหลายอย่างที่ช่วยให้เกิดผลิตภัณฑ์น้อยกว่าที่คาดการณ์ไว้ นอกจากข้อผิดพลาดจากการทดลองแล้ว มักจะมีการสูญเสียเนื่องจากปฏิกิริยาที่ไม่สมบูรณ์ ปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการ เป็นต้น เปอร์เซ็นต์ผลผลิตเป็นตัววัดที่บ่งบอกถึงระดับความสำเร็จของปฏิกิริยาและเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับงานเคมีในห้องปฏิบัติการ

คำนิยาม

เปอร์เซ็นต์ผลตอบแทนคืออัตราส่วนระหว่างผลผลิตจริงและผลผลิตตามทฤษฎีซึ่งแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ผลผลิต ที่แท้จริง คือผลลัพธ์ที่ปฏิกิริยาเคมีสร้างขึ้นจริงด้วยปัจจัยทั้งหมดที่พบในสิ่งแวดล้อม เปอร์เซ็นต์ที่แท้จริงอาจใกล้ถึง 100% แต่ไม่เคยเป็นเช่นนั้น

ในการคำนวณเปอร์เซ็นต์ผลผลิต ขั้นแรกต้องกำหนดปริมาณผลิตภัณฑ์ที่ควรจะก่อตัวขึ้นตามปริมาณสารสัมพันธ์ที่เรียกว่า ” ผลผลิตตามทฤษฎี ” นั่นคือปริมาณผลิตภัณฑ์สูงสุดที่สามารถก่อตัวขึ้นจากปริมาณสารตั้งต้นที่กำหนด

หากผลตอบแทนตามจริงและตามทฤษฎีเท่ากัน เปอร์เซ็นต์ผลตอบแทนคือ 100% โดยทั่วไปแล้ว เปอร์เซ็นต์ผลตอบแทนจะน้อยกว่า 100% เนื่องจากผลตอบแทนจริงมักจะน้อยกว่าค่าทางทฤษฎี เหตุผลนี้อาจรวมถึงปฏิกิริยาที่ไม่สมบูรณ์หรือมีการแข่งขัน และการสูญเสียตัวอย่างระหว่างการกู้คืน นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่เปอร์เซ็นต์ผลผลิตจะมากกว่า 100% ซึ่งหมายความว่ามีการเก็บตัวอย่างจากปฏิกิริยามากกว่าที่คาดไว้ สุดท้าย ผลตอบแทนเป็นเปอร์เซ็นต์จะเป็นค่าบวกเสมอ

ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองทำไมจึงแตกต่างกัน?

เมื่อใดก็ตามที่เราผสมสารตั้งต้นตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปเพื่อทำปฏิกิริยาเคมี เราสามารถคำนวณปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เราควรได้รับจากปริมาณสารตั้งต้นที่ทราบที่เราเติมด้วยปริมาณสารสัมพันธ์อย่างง่าย เนื่องจากปริมาณของผลิตภัณฑ์นี้ (เรียกว่าผลผลิต) คำนวณจากอัตราส่วนสโตอิชิโอเมตริกของปฏิกิริยาเคมี จึงเรียกว่าผลผลิตตามทฤษฎี

ในทางกลับกัน ปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เราได้รับจริงเมื่อเราผสมปริมาณของสารตั้งต้นและทำ ปฏิกิริยาเคมี คือสิ่ง ที่เรียกว่าผลผลิตจากการทดลอง ผลผลิต ที่ใช้ได้จริง หรือผลผลิตจริง

ในกรณีที่ดีที่สุด เราจะได้ผลิตภัณฑ์ในปริมาณที่เท่ากันทุกประการกับปริมาณที่คำนวณโดยปริมาณสารสัมพันธ์ ในกรณีนี้ เปอร์เซ็นต์ผลตอบแทนจะเป็น 100% อย่างไรก็ตาม มีปัจจัยหลายอย่างที่ทำให้ผลการทดลองไม่เคยเท่ากับทางทฤษฎี บางส่วนของปัจจัยเหล่านี้คือ:

• ข้อผิดพลาดในการตรวจวัดเชิงทดลองทั้งในปริมาณของสารรีเอเจนต์ที่ผสมและในการชั่งน้ำหนักหรือการกำหนดปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับ
• การปรากฏตัวของสิ่งเจือปนในรีเอเจนต์
• การมีสมดุลทางเคมีที่ขัดขวางไม่ให้ปฏิกิริยาดำเนินไปจนเสร็จสิ้น เนื่องจากส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์ถูกเปลี่ยนกลับไปเป็นสารตั้งต้น
• ความเร็วของปฏิกิริยา หากปฏิกิริยาเกิดช้ามากและเราหยุดก่อนกำหนด เราจะได้ผลิตภัณฑ์น้อยกว่าที่คาดไว้
• การสูญเสียสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ระหว่างกระบวนการถ่ายโอนสารจากภาชนะหนึ่งไปยังอีกภาชนะหนึ่ง
• การเกิดปฏิกิริยาเคมีคู่ขนานที่ทำให้ส่วนหนึ่งของรีเอเจนต์ลดลง และอื่น ๆ

ปัจจัยหลายอย่างเหล่านี้สามารถควบคุมได้ในระดับหนึ่ง แต่ส่วนใหญ่จะมีอยู่เสมอ

สูตรเปอร์เซ็นต์ผลตอบแทน

สมการสำหรับเปอร์เซ็นต์ผลตอบแทนคือ: เปอร์เซ็นต์ผลตอบแทน = (ผลผลิตจริง / อัตราผลตอบแทนตามทฤษฎี) x 100% โดยที่:

• ผลผลิตที่แท้จริงคือปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาเคมี
• ผลผลิตตามทฤษฎีคือปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากสมการปริมาณสารสัมพันธ์โดยใช้รีเอเจนต์จำกัดเพื่อกำหนดผลิตภัณฑ์
• หน่วยของผลผลิตจริงและตามทฤษฎีต้องเหมือนกัน (โมลหรือกรัม)

ตัวอย่าง

การสลายตัวของแมกนีเซียมคาร์บอเนตก่อให้เกิดแมกนีเซียมออกไซด์ 15 กรัมในการทดลองหนึ่ง เป็นที่ทราบกันดีว่าผลผลิตทางทฤษฎีคือ 19 กรัม 

1. แมกนีเซียมออกไซด์ให้ผลผลิตกี่เปอร์เซ็นต์?

MgCO ₃  → MgO + CO ₂

การคำนวณนั้นง่ายถ้าคุณรู้ผลตอบแทนจริงและตามทฤษฎี สิ่งต่อไปคือการป้อนค่าในสูตร:

1. เปอร์เซ็นต์ผลตอบแทน = ผลตอบแทนจริง / ผลตอบแทนตามทฤษฎี x 100%
2. เปอร์เซ็นต์ผลผลิต= 15g / 19g x 100%
3. เปอร์เซ็นต์ผลตอบแทน = 79%

2. เปอร์เซ็นต์ผลผลิต (%R) ของปฏิกิริยาเคมีต่อไปนี้:

2N ₂  + 5O ₂  → 2N ₂ O ₅

1. คำนวณมวลโมเลกุลของสารที่เป็นส่วนหนึ่งของปฏิกิริยาเคมี:

N ₂ = 28 ก./โมล

O ₂ = 32 ก./โมล

N ₂ O ₅  = 108.01 ก./โมล

• คำนวณสารตั้งต้นจำกัด เปรียบเทียบสารตั้งต้น:

ความสัมพันธ์ครั้งแรก

2N2 _→ 5O2 _{_}

2 โมล x 28 ก./โมล → 5 โมล x 32 ก./โมล

40 ก. → x

56g → 160g

40 ก. → x

X= 114.29 กรัมของ O ₂

ความสัมพันธ์ที่สอง

2N2 _→ 5O2 _{_}

2 โมล x 28 ก./โมล → 5 โมล x 32 ก./โมล

x →55g

56g → 160g

x→ 55g

x= 19.25 กรัมของ N ₂

โดยทั่วไปเราต้องคำนวณผลตอบแทนทางทฤษฎีตามสมการที่สมดุล ในสมการนี้ สารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์มีอัตราส่วนโมลาร์ 1:1 ดังนั้นหากคุณทราบปริมาณของสารตั้งต้น เราจะรู้ว่าผลผลิตทางทฤษฎีมีค่าเท่ากันในหน่วยโมล

เพื่อให้ได้ปริมาณเป็นกรัม เราต้องใช้ปริมาณของสารตั้งต้นเป็นกรัม จากนั้นแปลงเป็นโมลแล้วใช้ปริมาณเดียวกันนี้เพื่อหาว่าคาดว่าจะได้ผลิตภัณฑ์กี่กรัม 

อ้างอิง

• บราวน์ ที. (2564). เคมี: วิทยาศาสตร์กลาง (ฉบับที่ 11) ลอนดอน ประเทศอังกฤษ: เพียร์สัน เอดูเคชั่น.
• Chang, R., Manzo, Á. ร. โลเปซ PS และเฮอร์รานซ์ ZR (2020) เคมี (ฉบับที่ 10) นครนิวยอร์ก รัฐนิวยอร์ก: MCGRAW-HILL
• ดอกไม้, P., Neth, EJ, Robinson, WR, Theopold, K., & Langley, R. (2019) เคมี: อะตอมแรก 2e . สืบค้นจากhttps://openstax.org/books/chemistry-atoms-first-2e/pages/1-introduction
• ดอกไม้, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019b) เคมี 2e . สืบค้นจากhttps://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/1-1-chemistry-in-context