Tabla de Contenidos
Hiệu suất lý thuyết của phản ứng hóa học là lượng sản phẩm tối đa có thể thu được từ phản ứng nói trên từ lượng chất phản ứng đã biết, giả sử rằng phản ứng tiếp tục cho đến khi chất phản ứng giới hạn cạn kiệt hoàn toàn. Nó được gọi là sản lượng lý thuyết bởi vì trong thực tế, lượng sản phẩm được dự đoán bởi sản lượng này không bao giờ thu được, luôn thu được một lượng nhỏ hơn. Điều này là do nhiều lý do, bao gồm:
- Sai số thí nghiệm trong việc xác định khối lượng và thể tích.
- Sự hiện diện của tạp chất trong thuốc thử.
- phản ứng phụ có thể xảy ra.
- Sự hình thành cân bằng hóa học.
- Dừng phản ứng sớm (điều này đặc biệt có vấn đề khi xử lý các phản ứng chậm).
Khi tính toán năng suất lý thuyết, người ta cho rằng phản ứng là không thể đảo ngược, vì vậy nó không đạt đến trạng thái cân bằng. Hơn nữa, người ta cho rằng các thuốc thử liên quan chỉ phản ứng bằng phản ứng được đề cập và không có phản ứng song song nào khác có thể làm giảm tính khả dụng của thuốc thử.
Tính toán năng suất lý thuyết là một trong những kỹ năng cơ bản của bất kỳ sinh viên hóa học nào và nó cũng là một trong những quy trình tính toán cân bằng hóa học thường xuyên nhất mà bạn sẽ gặp trong quá trình học.
Thuốc thử giới hạn
Khái niệm về thuốc thử giới hạn là trung tâm của việc tính toán năng suất lý thuyết. Đây được định nghĩa là chất phản ứng được tìm thấy ở tỷ lệ nhỏ nhất, đó là lý do tại sao nó là chất đầu tiên được tiêu thụ trong quá trình phản ứng hóa học.
Vì một phản ứng hóa học không thể xảy ra nếu một trong các chất phản ứng của nó không có mặt, nên thời điểm chất phản ứng giới hạn kết thúc, phản ứng dừng lại. Điều này có nghĩa là tất cả các sản phẩm không còn được sản xuất và tất cả các chất phản ứng khác không còn được tiêu thụ. Vì lý do này, thuốc thử giới hạn xác định phản ứng có thể đi bao xa; nó là thứ giới hạn số lượng sản phẩm có thể được sản xuất và chất phản ứng có thể được tiêu thụ, và do đó có tên như vậy.
ví dụ hàng ngày về thuốc thử giới hạn
Để hiểu rõ hơn về khái niệm giới hạn thuốc thử, chúng ta hãy xem xét việc chuẩn bị một chiếc bánh. Có thể coi sự chuẩn bị này như một phản ứng hóa học trong đó các nguyên liệu là chất phản ứng và bánh là sản phẩm duy nhất.
Việc chuẩn bị một chiếc bánh đòi hỏi một số nguyên liệu cụ thể, giống như phản ứng hóa học cần một số lượng phân tử cụ thể của mỗi chất phản ứng. Hãy tưởng tượng rằng một công thức làm bánh rất đơn giản cần 2 cốc bột mì, 5 quả trứng và 1 cốc đường. Điều này có thể được viết là:
Bây giờ chúng ta hãy tự hỏi mình câu hỏi sau: chúng ta có thể chuẩn bị bao nhiêu chiếc bánh nếu khi mở tủ lạnh ra, chúng ta thấy có 30 quả trứng, 10 cốc bột mì và 8 cốc đường?
Chúng ta có thể suy ra điều này bằng cách xác định riêng số lượng bánh mà chúng ta có thể chuẩn bị với mỗi thành phần:
- Với 30 quả trứng, chúng ta có thể làm được 6 cái bánh, vì mỗi cái cần 5 quả trứng.
- Với 10 chén bột chúng ta có thể làm được 5 cái bánh.
- 8 cốc đường là đủ cho 8 cái bánh
Bây giờ chúng tôi tự hỏi, chúng tôi thực sự có thể làm được bao nhiêu chiếc bánh, 5, 6 hay 8? Tất nhiên, câu trả lời là 5. Lý do là với lượng bột chúng ta có, chúng ta không thể làm nhiều hơn 5 cái bánh. Tất cả các nguyên liệu khác đều đủ để làm nhiều hơn nữa, nhưng sau khi làm xong chiếc bánh thứ năm, sẽ không còn bột để làm chiếc bánh khác và chúng ta có thể có thêm bao nhiêu đường hay trứng cũng không quan trọng, vì nếu không có nguyên liệu đó, chúng ta sẽ không thể làm theo công thức.
Trong trường hợp này, bột mì là thành phần giới hạn (được hiểu là thuốc thử giới hạn), vì nó giới hạn số lượng bánh tối đa có thể sản xuất là 5.
Nhân tiện, 5 chiếc bánh này có thể được sản xuất từ những nguyên liệu mà chúng ta có sẽ đại diện cho năng suất lý thuyết. Nói cách khác, về mặt lý thuyết, chúng tôi có thể làm được 5 chiếc bánh, nhưng nếu trong quá trình này, chúng tôi làm vỡ một quả trứng, làm đổ đường hoặc làm cháy một trong những chiếc bánh, thì số lượng bánh chúng tôi thực sự có thể sản xuất sẽ giảm đi.
Quy trình tính năng suất lý thuyết
Để tính hiệu suất lý thuyết, người ta phải bắt đầu từ lượng thuốc thử giới hạn vì, như đã giải thích ở trên, khi hoàn thành trước, thuốc thử này giới hạn lượng sản phẩm có thể được tạo ra và các thuốc thử khác có thể được tiêu thụ.
Dưới đây là một cách thực tế và nhanh chóng để xác định chất nào là chất phản ứng hạn chế và chất nào dư thừa.
Xác định thuốc thử giới hạn
Có một số cách để xác định chất phản ứng hạn chế. Một cách giống như chúng ta đã làm trong ví dụ chiếc bánh: bằng cách xác định lượng sản phẩm chúng ta có thể nhận được từ mỗi lượng chất phản ứng, sau đó chọn chất phản ứng tạo ra lượng ít nhất. Tuy nhiên, có một cách khác thực tế và máy móc hơn để làm điều đó.
Theo định nghĩa, chất phản ứng giới hạn là chất có tỷ lệ cân bằng hóa học thấp nhất. Điều này có nghĩa là tất cả những gì chúng ta phải làm để xác định chất phản ứng giới hạn là xác định tỷ lệ cân bằng hóa học trong đó có tất cả các chất phản ứng và sau đó chọn chất nhỏ nhất.
Xác định tỷ lệ cân bằng hóa học đơn giản bằng cách tính số mol của mỗi chất phản ứng và chia nó cho hệ số cân bằng hóa học của phản ứng đã cân bằng.
Ví dụ
Giả sử 20g sắt phản ứng với 20g khí oxi tạo ra sắt oxit (Fe 2 O 3 ). Xác định chất phản ứng hạn chế của phản ứng. Khối lượng mol của sắt là 56g/mol, của khí oxi là 32g/mol và của oxit sắt là 160g/mol.
Bước đầu tiên là viết phương trình hóa học đã cân bằng, trong trường hợp này, là:
Bây giờ, chúng tôi tính toán số mol từ khối lượng, và sau đó là tỷ lệ cân bằng hóa học. Điều này có thể được sắp xếp trong một bảng để làm cho quá trình dễ dàng hơn, đặc biệt là khi có nhiều thuốc thử:
thuốc thử | Khối | nốt ruồi | Tỷ lệ | Thuốc thử hạn chế hoặc dư thừa? |
Sự tin tưởng | 20g | 20/56 = 0,357mol | 0,357 / 4 = 0,08925 | Hạn chế thuốc thử. |
hoặc 2 | 20g | 20/32 = 0,625mol | 0,625 / 3 = 0,2083 | Thuốc thử thừa. |
Như bạn có thể thấy, chất phản ứng có tỷ lệ thấp hơn trong trường hợp này là sắt, vì vậy nó là chất phản ứng hạn chế.
Tính toán năng suất lý thuyết
Khi chúng ta biết chất phản ứng giới hạn là gì, chúng ta có thể sử dụng nó để thực hiện tất cả các tính toán cân bằng hóa học khác. Điều này bao gồm tính toán lượng chất phản ứng dư thừa thực sự có thể được tiêu thụ, do đó xác định lượng chất phản ứng dư thừa (không phản ứng), và tất nhiên, tính toán lượng sản phẩm sẽ được tiêu thụ. năng suất lý thuyết.
Tất cả các tính toán này được thực hiện bằng cách sử dụng các mối quan hệ cân bằng hóa học khác nhau có thể được thiết lập giữa thuốc thử giới hạn và từng chất khác tham gia phản ứng.
Cần lưu ý rằng nếu một phản ứng tạo ra nhiều hơn một sản phẩm, thì sẽ có một sản lượng cho từng sản phẩm, nhưng không phải cho tất cả các sản phẩm nói chung.
Ví dụ
Tiếp tục với ví dụ trước, bây giờ chúng ta muốn tính xem có thể tạo ra bao nhiêu (tính bằng gam) oxit sắt từ 20g sắt và 20g khí oxy.
Điều được hỏi là xác định lượng sản phẩm có thể được tạo ra với lượng chất phản ứng, vì vậy điều bạn muốn tính toán là năng suất lý thuyết của phản ứng. Trong ví dụ trước, chúng tôi đã xác định rằng thuốc thử giới hạn trong trường hợp này là sắt, vì vậy lượng oxit sắt sẽ được xác định từ nó. Điều này có nghĩa là phép tính bắt đầu với lượng sắt và kết thúc với lượng oxit sắt, như minh họa bên dưới:
Người giới thiệu
- Nâu, T. (2021). Hóa học: Khoa học Trung tâm (tái bản lần thứ 11). Luân Đôn, Anh: Giáo dục Pearson.
- Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Hóa học (tái bản lần thứ 10). Thành phố New York, NY: MCGRAW-HILL.
- Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, ngày 14 tháng 2). 4.4 Hiệu suất phản ứng – Hóa học 2e | OpenStax . Lấy từ https://openstax.org/books/chemology-2e/pages/4-4-reaction-yields
- Cân bằng hóa học của các phản ứng hóa học. (2020, ngày 29 tháng 10). Truy xuất ngày 7 tháng 8 từ https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
- Sản lượng của các phản ứng . (2020, ngày 30 tháng 10). Truy cập ngày 7 tháng 8 năm 2021 từ https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822