If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

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 Al i 4,25 g Cl2?
2Al(s)+3Cl2(g)2AlCl3(s)
Na początek, sprawdźmy czy nasze równanie jest poprawnie zbilansowane. Mamy dwa atomy Al i sześć atomów Cl 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 Al oraz Cl2 na mole znając ich masy cząsteczkowe:
liczba moli Al=2,80g Al×1mol Al26,98g Al=1,04×101mol Al                (Przeliczenie gramów Al na mole Al)
liczba moli Cl2=4,25g Cl2×1mol Cl270,90g Cl2=5,99×102mol Cl2         (Przeliczenie gramów Cl2 na mole Cl2)

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=mole Almole Cl2=1,04×101mol Al5,99×102mol Cl2=1,74mol Al1 mol Cl2
Rzeczywisty stosunek molowy wskazuje nam, że 1,74 mola Al przypada na każdy 1 mol Cl2. Dla porównania, stosunek stechiometryczny dla naszej reakcji przedstawiony jest poniżej:
Stosunek stechiometryczny=2mole Al3mole Cl2=0,67mol Al1mol Cl2
To pokazuje, że potrzebujemy przynajmniej 0,67 mola Al na każdy mol Cl2. Ponieważ nasz rzeczywisty stosunek molowy jest większy niż nasz stosunek stechiometryczny, mamy więcej Al niż jest potrzebne na każdy mol Cl2. Tym samym, Cl2 jest naszym reagentem ograniczającym, a Al 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 Al jest reagentem ograniczającym, możemy obliczyć wymaganą ilość Cl2 jak poniżej:
ilość moli Cl2=1,04×101mol Al×3mole Cl22mole Al=1,56×101mol Cl2
Według tych obliczeń, potrzebowalibyśmy 1,56×101mola Cl2 jeśli Al faktycznie jest naszym reagentem ograniczającym. Ponieważ mamy 5,99×102mola Cl2, czyli mniej niż wymagane 1,56×101mola Cl2, z obliczeń wynika że skończyłby nam się Cl2 zanim przereagowalibyśmy cały Al. Dlatego też Cl2 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 Al reagują z 3 molami Cl2 dając 2 mole AlCl3, co można zapisać krócej
1mol-rxn=2mole Al=3mole Cl2=2mole AlCl3
Możemy wykorzystać powyższą zależność do stworzenia stosunków służących do przeliczenia każdego z reagentów na mole reakcji:
1,04×101mol Al×1mol-rxn2mol Al=5,20×102mol-rxn            (Przeliczenie moli Al na mol-rxn)
5,99×102mol Cl2×1mol-rxn3mol Cl2=2,00×102mol-rxn        (Przeliczenie moli Cl2 na mol-rxn)
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 Cl2 jest naszym reagentem ograniczającym, gdyż tworzy 2.00×102mol-rxn, czyli mniej niż 5.20×102mol-rxn Al.

Przykład 2: Obliczanie masy teoretycznej

Teraz, skoro znamy już reagent ograniczający, możemy użyć tej informacji aby odpowiedzieć na następujące pytanie:
Jaka jest teoretyczna masa AlCl3, powstałego w reakcji przy użyciu 4,25g Cl2, 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 Cl2 powinniśmy otrzymać 2 mole AlCl3. Zatem masa teoretyczna w molach wynosi
Masa teoretyczna w molach=5,99102mol Cl22mol AlCl33mol Cl2=3,99102mol AlCl3
Masa teoretyczna jest zazwyczaj przedstawiana za pomocą jednostki masy, możemy więc przeliczyć liczbę moli AlCl3 na gramy korzystając z masy cząsteczkowej:
Masa teoretyczna w gramach=3,99×102mol AlCl3×133,33g AlCl31mol AlCl3=5,32g AlCl3

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.
O nie, koci włamywacz ukradł naszą bułkę! Teraz nasza rzeczywista masa wynosi 3 kompletne hot-dogi. Jeśli nasza teoretyczna masa wynosiła 4 kompletne hot-dogi, to ile wynosi nasza wydajność procentowa?
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:
wydajność procentowa=masa rzeczywistamasa teoretyczna×100%
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 BaCl2, który jest reagentem ograniczającym. Izolujemy 1,82g naszego pożądanego produktu, AgCl.
BaCl2(aq)+2AgNO3(aq)2AgCl(s)+Ba(NO3)2(aq)
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 BaCl2 używając masy cząsteczkowej:
1,56g BaCl2×1mol BaCl2208,23g BaCl2=7,49×103mol BaCl2

Krok 2. Oblicz liczbę moli produktu.

Możemy obliczyć ile moli AgCl powinniśmy otrzymać używając stosunku molowego ze zbalansowanej reakcji. Zbalansowane równanie mówi nam o tym, że powinniśmy otrzymać 2 mole AgCl na każdy 1 mol BaCl2:
7,49×103mol BaCl2×2mol AgCl1mol BaCl2=1,50×102mol AgCl

Krok 3: Przelicz mole na gramy.

Możemy przeliczyć mole AgCl na masę w gramach za pomocą masy cząsteczkowej, która określi nam masę teoretyczną w gramach:
1,50×102mol AgCl×143.32g AgCl1mol AgCl=2,15g AgCl
Możemy użyć masę teoretyczną i rzeczywistą aby obliczyć wydajność procentową za pomocą następującego równania:
wydajność procentowa=masa rzeczywistamasa teoretyczna×100%=1,82g AgCl2,15g AgCl×100%=84,6%wydajności

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
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.