Научете как да изчислявате теоретичния добив

Теоретичният добив на химическа реакция е максималното количество продукти, които могат да бъдат получени чрез споменатата реакция от известни количества реагенти, като се приеме, че реакцията продължава, докато ограничаващият реагент бъде напълно изчерпан. Нарича се теоретичен добив, защото на практика количеството продукт, предвидено от този добив, никога не се получава, винаги се получава по-малко количество. Това се дължи на различни причини, включително:

• Експериментални грешки при определяне на маси и обеми.
• Наличието на примеси в реагентите.
• Странични реакции, които могат да възникнат.
• Формиране на химични равновесия.
• Преждевременно спиране на реакцията (което е особено проблематично при работа с бавни реакции).

При изчисляването на теоретичния добив се приема, че реакцията е необратима, така че не достига равновесно състояние. Освен това се предполага, че включените реагенти реагират само чрез въпросната реакция и няма друга паралелна реакция, която би могла да намали наличието на реагенти.

Изчисляването на теоретичния добив е едно от основните умения на всеки студент по химия и също така е една от най-честите стехиометрични изчислителни процедури, които ще срещнете по време на обучението си.

Ограничаващият реагент

Концепцията за ограничаващ реагент е централна за изчисляването на теоретичния добив. Това се определя като реагент, който се намира в най-малка част, поради което той е първият, който се изразходва по време на хода на химическа реакция.

Тъй като химическа реакция не може да се случи, ако един от нейните реагенти не присъства, тогава в момента, в който ограничаващият реагент приключи, реакцията спира. Това означава, че всички продукти вече не се произвеждат и всички други реагенти вече не се консумират. Поради тази причина ограничаващият реагент определя докъде може да стигне една реакция; той е този, който ограничава количеството на продуктите, които могат да бъдат произведени и на реагентите, които могат да бъдат консумирани, и оттам идва и името му.

ежедневен пример за ограничаващ реагент

За да разберем по-добре концепцията за ограничаващ реагент, нека разгледаме приготвянето на торта. Този препарат може да се разглежда като химическа реакция, в която съставките са реагентите, а тортата е единственият продукт.

Приготвянето на торта изисква определен брой съставки, по същия начин, по който химическата реакция изисква определен брой молекули от всеки реагент. Нека си представим, че една много проста рецепта за кекс изисква 2 чаши брашно, 5 яйца и 1 чаша захар. Това може да се напише като:

Сега нека си зададем следния въпрос: колко торти можем да приготвим, ако когато отворим хладилника, открием, че има 30 яйца, 10 чаши брашно и 8 чаши захар?

Можем да направим извод за това, като определим отделно броя на тортите, които можем да приготвим с всяка съставка:

• С 30 яйца можем да направим 6 торти, тъй като за всяка са нужни 5 яйца.
• С 10 чаши брашно можем да приготвим 5 сладкиша.
• 8 чаши захар са достатъчни за 8 торти

Сега се питаме колко торти наистина можем да направим, 5, 6 или 8? Отговорът, разбира се, е 5. Мотивът е, че с количеството брашно, с което разполагаме, не можем да направим повече от 5 сладкиша. Всички останали съставки са достатъчни дори за повече, но след като петата торта е направена, няма да има повече брашно, за да направим друга и няма значение колко излишна захар или яйца ще имаме, тъй като без тази съставка ще не можете да следвате рецептата.

В този случай брашното е ограничаващата съставка (разбирана като ограничаващ реагент), тъй като ограничава максималния брой торти, които могат да бъдат произведени до 5.

Между другото, тези 5 торти, които могат да бъдат произведени от съставките, които имаме, ще представляват теоретичния добив. С други думи, теоретично бихме могли да направим 5 торти, но ако счупим яйце в процеса, разсипем захар или изгорим една от тортите, броят на тортите, които всъщност можем да произведем, ще бъде намален.

Процедура за изчисляване на теоретичния добив

За да се изчисли теоретичният добив, трябва да се започне от количеството на ограничаващия реагент, тъй като, както е обяснено по-горе, когато е завършен първи, този реагент ограничава количеството продукти, които могат да бъдат произведени, и другите реагенти, които могат да бъдат консумирани.

По-долу е практичен и бърз начин да се определи кой е ограничаващият реагент и кой е или са реагентите в излишък.

Определяне на ограничаващия реагент

Има няколко начина за идентифициране на ограничаващия реагент. Един начин е като в примера с пай: чрез определяне на количеството продукт, което можем да получим от всяко количество реагент, и след това избиране на реагента, който произвежда най-малко количество. Има обаче друг по-практичен и механичен начин да го направите.

По дефиниция ограничаващият реагент е този, който е в най-ниската стехиометрична пропорция. Това означава, че всичко, което трябва да направим, за да идентифицираме ограничаващия реагент, е да определим стехиометричното съотношение, в което се намират всички реагенти, и след това да изберем най-малкия.

Определянето на стехиометричното съотношение е толкова просто, колкото изчисляването на броя молове на всеки реагент и разделянето му на стехиометричния коефициент на балансираната реакция.

Пример

Да предположим, че 20 g желязо реагира с 20 g кислороден газ, за ​​да се получи железен оксид (Fe ₂ O ₃ ). Определете ограничаващия реагент на реакцията. Моларната маса на желязото е 56g/mol, на кислородния газ е 32g/mol, а на железния оксид е 160g/mol.

Първата стъпка е да напишете балансираното химично уравнение, което в този случай е:

Сега изчисляваме броя на моловете от масата и след това стехиометричното съотношение. Това може да се организира в таблица, за да се улесни процеса, особено когато има много реактиви:

Както виждаш, реагентът, който е в по-ниско съотношение в този случай, е желязото, така че това е ограничаващият реагент.

Изчисляване на теоретичния добив

След като разберем какъв е ограничаващият реагент, можем да го използваме, за да извършим всички други стехиометрични изчисления. Това включва изчисляване на количествата излишни реагенти, които действително могат да бъдат консумирани, като по този начин се определя колко от тях ще останат в излишък (нереагирали) и, разбира се, изчисляване на количествата продукти, които ще бъдат консумирани. теоретичен добив.

Всички тези изчисления се извършват с помощта на различните стехиометрични отношения, които могат да бъдат установени между ограничаващия реагент и всяко от другите вещества, участващи в реакцията.

Трябва да се отбележи, че ако една реакция генерира повече от един продукт, тогава ще има добив за всеки от продуктите, но не и за всички продукти като цяло.

Пример

Продължавайки с предишния пример, сега искаме да изчислим колко (в грамове) железен оксид може да се произведе от 20 g желязо и 20 g кислород.

Това, което се иска, е да се определи количеството продукт, което може да се произведе, като се имат предвид количествата реагенти, така че това, което искате да изчислите, е теоретичният добив на реакцията. В предишния пример установихме, че ограничаващият реагент в този случай е желязото, така че количеството железен оксид ще бъде определено от него. Това означава, че изчислението започва с количеството желязо и завършва с количеството железен оксид, както е показано по-долу:

Препратки

• Браун, Т. (2021). Химия: Централната наука (11-то издание). Лондон, Англия: Pearson Education.
• Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: MCGRAW-HILL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 14 февруари). 4.4 Реакционни добиви – Химия 2e | OpenStax . Извлечено от https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• Стехиометрията на химичните реакции. (2020 г., 29 октомври). Извлечено на 7 август от https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• Добивите на реакциите . (2020 г., 30 октомври). Изтеглено на 7 август 2021 г. от https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822