Główna zawartość
Chemia - program rozszerzony
Kurs: Chemia - program rozszerzony > Rozdział 2
Lekcja 3: Bilans reakcji w przypadku niestechiometrycznej ilości reagentów- Reagenty w niedomiarze oraz procentowa wydaność reakcji
- Zadanie: Obliczenie ilości produktu utworzonego z limitującego substratu
- Wprowadzenie do analizy grawimetrycznej (wagowej): ulatnianie grawimetryczne
- Gravimetric analysis and precipitation gravimetry
- Dehydratacja etanolu, zadanie z egzaminu z chemii 2015 AP, część 1/2
- Dehydratacja etanolu, zadanie z egzaminu z chemii 2015 AP, część 2/2
© 2023 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie
Reagenty w niedomiarze oraz procentowa wydaność reakcji
Jak ustalić reagent w niedomiarze i użyć stechiometrii, aby obliczyć teoretyczną i procentową wydajność reakcji.
Reagenty ograniczające i wydajność teoretyczna
Przyjrzyjmy się prostemu przykładowi: Mamy pięć parówek i cztery bułki. Ile więc jesteśmy w stanie zrobić z tego hot-dogów?
Zakładając, że parówki łączą się z bułkami w stosunku 1:1, ograniczać nas będzie ilość bułek gdyż skończą się nam one jako pierwsze. W tym niezbyt idealnym przypadku bułki nazwiemy odczynnikiem ograniczającym lub reagentem ograniczającym.
W reakcji chemicznej, reagentem ograniczającym jest ten odczynnik, który determinuje ile produktu może powstać. Pozostałe odczynniki są czasami określane jako będące w nadmiarze, gdyż pozostaną jeszcze ich resztki po kompletnym wykończeniu się reagenta ograniczającego. Maksymalna ilość produktu jaką można wytworzyć nazywana jest wydajnością teoretyczną. W przytoczonym przykładzie z parówkami i bułkami, naszą wydajnością teoretyczną są cztery kompletne hot-dogi gdyż mamy dostępne jedynie cztery bułki. Ok, ale skończmy już z tymi hot-dogami! W poniższym przykładzie pokażemy jak zidentyfikować reagent ograniczający i obliczyć wydajność teoretyczną w prawdziwej reakcji chemicznej.
Wskazówka do zadań: Pierwszym i najważniejszym krokiem jakichkolwiek obliczeń stechiometrycznych - takich jak znalezienie reagenta ograniczającego - jest zbilansowanie równania reakcji ! Z tego względu na to, że nasze obliczenia wykorzystują stosunki bazujące na współczynnikach stechiometrycznych równania, poprawne odpowiedzi uzyskamy tylko jeśli równanie reakcji będzie poprawnie zbilansowane.
Przykład 1: Wskazanie reagenta ograniczającego
Dla poniższej reakcji, który z substratów będzie reagentem ograniczającym jeśli do reakcji użyjemy 2,80 g start text, A, l, end text i 4,25 g start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript?
Na początek, sprawdźmy czy nasze równanie jest poprawnie zbilansowane. Mamy dwa atomy start text, A, l, end text i sześć atomów start text, C, l, end text po obu stronach równania, czyli możemy zaczynać! W tym przykładzie, znamy masę obu reagentów, a chcemy dowiedzieć się który z nich wyczerpie się jako pierwszy. Zacznijmy od przeliczenia wszystkiego na mole, aby potem użyć stosunków molowych ze zbilansowanego równania do wskazania reagenta ograniczającego.
Krok 1: Przeliczenie masy na mole
Możemy przeliczyć masy start text, A, l, end text oraz start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript na mole znając ich masy cząsteczkowe:
Krok 2: Znalezienie reagenta ograniczającego na podstawie stechiometrycznych proporcji
Teraz, kiedy nasze znane ilości reagentów są wyrażone w molach, istnieje wiele sposobów na odnalezienie reagenta ograniczającego. Pokażemy trzy z tych sposobów. Wszystkie z nich prowadzą do tej samej odpowiedzi, więc możesz sobie wybrać ten, który jest twoim zdaniem najlepszy. Wszystkie trzy metody wykorzystują stosunki stechiometryczne, choć w nieco różny sposób.
METODA 1: Pierwsza z metod polega na obliczeniu rzeczywistego stosunku molowego reagentów, a następnie porównaniu stosunku molowego ze stosunkiem stechiometrycznym ze zbilansowanego równania reakcji.
Rzeczywisty stosunek molowy wskazuje nam, że 1,74 mola start text, A, l, end text przypada na każdy 1 mol start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript. Dla porównania, stosunek stechiometryczny dla naszej reakcji przedstawiony jest poniżej:
To pokazuje, że potrzebujemy przynajmniej 0,67 mola start text, A, l, end text na każdy mol start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript. Ponieważ nasz rzeczywisty stosunek molowy jest większy niż nasz stosunek stechiometryczny, mamy więcej start text, A, l, end text niż jest potrzebne na każdy mol start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript. Tym samym, start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript jest naszym reagentem ograniczającym, a start text, A, l, end text jest w nadmiarze.
METODA 2: Metoda bardziej w stylu "wytypuj i sprawdź", polegająca na wybraniu jednego z substratów - nieważne którego - i założenie że jest on reagentem ograniczającym. Następnie możemy obliczyć potrzebne ilości moli pozostałych reagentów, bazując na ilości moli naszego założonego reagenta ograniczającego. Przykładowo, jeśli założymy że start text, A, l, end text jest reagentem ograniczającym, możemy obliczyć wymaganą ilość start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript jak poniżej:
Według tych obliczeń, potrzebowalibyśmy 1, comma, 56, times, 10, start superscript, minus, 1, end superscript, start text, m, o, l, a, space, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript jeśli start text, A, l, end text faktycznie jest naszym reagentem ograniczającym. Ponieważ mamy 5, comma, 99, times, 10, start superscript, minus, 2, end superscript, start text, m, o, l, a, space, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, czyli mniej niż wymagane 1, comma, 56, times, 10, start superscript, minus, 1, end superscript, start text, m, o, l, a, space, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, z obliczeń wynika że skończyłby nam się start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript zanim przereagowalibyśmy cały start text, A, l, end text. Dlatego też start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript jest naszym reagentem ograniczającym.
METODA 3: Trzecia z metod bazuje na pojęciu mola reakcji, w skrócie mol-rxn. Jeden mol reakcji oznacza przereagowanie ze sobą ilości moli substratów, podyktowaną współczynnikami stechiometrycznymi ze zbilansowanego równania reakcji. Definicja ta może brzmieć dość zawile, lecz mam nadzieję że sama idea okaże się o wiele bardziej przejrzysta pokazana na naszym przykładzie. W obecnie rozważanej reakcji, możemy powiedzieć że 1 mol reakcji jest wtedy kiedy 2 mole start text, A, l, end text reagują z 3 molami start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript dając 2 mole start text, A, l, C, l, end text, start subscript, 3, end subscript, co można zapisać krócej
Możemy wykorzystać powyższą zależność do stworzenia stosunków służących do przeliczenia każdego z reagentów na mole reakcji:
Im więcej moli reakcji, tym więcej razy reakcja ta może zajść. Zatem substrat z mniejszą liczbą moli reakcji jest reagentem ograniczającym, ponieważ reakcja zostaje przeprowadzona mniejszą liczbę razy z tym substratem. Metoda ta pokazuje, że to start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript jest naszym reagentem ograniczającym, gdyż tworzy 2, point, 00, times, 10, start superscript, minus, 2, end superscript, start text, m, o, l, negative, r, x, n, end text, czyli mniej niż 5, point, 20, times, 10, start superscript, minus, 2, end superscript, start text, m, o, l, negative, r, x, n, end text start text, A, l, end text.
Przykład 2: Obliczanie masy teoretycznej
Teraz, skoro znamy już reagent ograniczający, możemy użyć tej informacji aby odpowiedzieć na następujące pytanie:
Jaka jest teoretyczna masa start text, A, l, C, l, end text, start subscript, 3, end subscript, powstałego w reakcji przy użyciu 4,25g start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, czyli naszego reagentu ograniczającego?
Możemy użyć moli reagenta ograniczającego oraz współczynników stechiometrycznych z naszej zbalansowanej reakcji, aby obliczyć masę teoretyczną. Współczynniki ze zbalansowanej reakcji informują nas o tym, że na każde 3 mole start text, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript powinniśmy otrzymać 2 mole start text, A, l, C, l, end text, start subscript, 3, end subscript. Zatem masa teoretyczna w molach wynosi
Masa teoretyczna jest zazwyczaj przedstawiana za pomocą jednostki masy, możemy więc przeliczyć liczbę moli start text, A, l, C, l, end text, start subscript, 3, end subscript na gramy korzystając z masy cząsteczkowej:
Wydajność procentowa
Masa teoretyczna jest maksymalną ilością produktu, jaką możemy otrzymać w reakcji, bazując na posiadanej ilości reagenta ograniczającego. Jednakże w praktyce chemicy nie zawsze uzyskują maksymalną masę z wielu powodów. Podczas przeprowadzania reakcji w laboratorium utrata produktu zwykle następuje w procesie oczyszczenia lub izolacji. Czasami lepiej nawet zdecydować się na stratę 10% produktu podczas dodatkowego oczyszczenia, ponieważ otrzymanie czystego produktu jest o wiele ważniejsze, niż otrzymanie większej ilości bardziej zanieczyszczonego produktu.
Pomimo tego, jak czysta i przejrzysta wydaje nam się nasza zbalansowana reakcja, reagenty mogą zareagować w nieoczekiwany i niepożądany sposób, np. tworząc zupełnie inną reakcję - czasami nazywaną reakcją uboczną - dając produkty inne niż te, które chcieliśmy uzyskać. Nasza rzeczywista masa może zmieniać się na podstawie czynników takich jak względna stabilność reagentów i produktów, czystość użytych substancji lub też wilgotność powietrza danego dnia. W niektórych przypadkach po wykonaniu reakcji możemy zostać z wszystkimi materiałami początkowymi i żadnym produktem. Możliwości są nieskończone!
Ponieważ chemicy wiedzą, że rzeczywista masa może być mniejsza niż masa teoretyczna, to aby określić rzeczywistą masę używamy wydajności procentowej, która informuje nas o tym, jaką ilość masy teoretycznej uzyskaliśmy. Stosunek ten może być bardzo cenny dla innych osób, które chcą przeprowadzić tą samą reakcję. Wydajność procentowa jest obliczana poprzez następujące równanie:
Jako że wydajność procentowa wyrażana jest w procentach, to oczekiwany wynik powinien mieścić się pomiędzy 0 i 100. Jeśli twoja wydajność procentowa jest większa niż 100 oznacza to najprawdopodobniej, że obliczyłeś lub odmierzyłeś coś błędnie.
Przykład 3: Obliczanie masy teoretycznej i wydajności procentowej
Następująca reakcja jest przeprowadzona z użyciem 1,56g start text, B, a, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript, który jest reagentem ograniczającym. Izolujemy 1,82g naszego pożądanego produktu, start text, A, g, C, l, end text.
Jaka jest wydajność procentowa tej reakcji?
Najpierw sprawdzamy czy reakcja jest zbalansowana. Wygląda na to, że mamy taką samą liczbę atomów po obu stronach, możemy więc przejść do obliczania masy teoretycznej.
Krok 1. Ustal liczbę moli reagenta ograniczającego.
Możemy obliczyć mole reagenta ograniczającego start text, B, a, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript używając masy cząsteczkowej:
Krok 2. Oblicz liczbę moli produktu.
Możemy obliczyć ile moli start text, A, g, C, l, end text powinniśmy otrzymać używając stosunku molowego ze zbalansowanej reakcji. Zbalansowane równanie mówi nam o tym, że powinniśmy otrzymać 2 mole start text, A, g, C, l, end text na każdy 1 mol start text, B, a, C, l, end text, start subscript, 2, end subscript:
Krok 3: Przelicz mole na gramy.
Możemy przeliczyć mole start text, A, g, C, l, end text na masę w gramach za pomocą masy cząsteczkowej, która określi nam masę teoretyczną w gramach:
Możemy użyć masę teoretyczną i rzeczywistą aby obliczyć wydajność procentową za pomocą następującego równania:
Podsumowanie
Reagent ograniczający jest czynnikiem, który zostaje zużyty jako pierwszy podczas reakcji, a także determinuje ile produktu możemy otrzymać. Aby ustalić reagent ograniczający używamy proporcji stechiometrycznych ze zbalansowanej reakcji chemicznej wraz z jedną z wielu sprytnych metod z Przykładu 1.
Gdy znajdziemy już reagent ograniczający możemy obliczyć maksymalną ilość produktu jaka jest możliwa do otrzymania, czyli masę teoretyczną. Ponieważ rzeczywista ilość produktu jest zwykle mniejsza niż masa teoretyczna, chemicy obliczają wydajność procentową za pomocą stosunku pomiędzy masą rzeczywistą i teoretyczną.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji