Lær, hvordan du beregner teoretisk udbytte

Det teoretiske udbytte af en kemisk reaktion er den maksimale mængde produkter, der kunne opnås ved nævnte reaktion fra kendte mængder af reaktanter, idet det antages, at reaktionen fortsætter, indtil den begrænsende reaktant er fuldstændig opbrugt. Det kaldes teoretisk udbytte, fordi man i praksis aldrig opnår den mængde produkt, der forudsiges af dette udbytte, men en mindre mængde opnås altid. Dette skyldes forskellige årsager, herunder:

• Eksperimentelle fejl ved bestemmelse af masser og volumener.
• Tilstedeværelsen af ​​urenheder i reagenserne.
• Sidereaktioner, der kan opstå.
• Dannelse af kemisk ligevægt.
• At stoppe reaktionen før tid (hvilket er særligt problematisk, når man har at gøre med langsomme reaktioner).

I beregningen af ​​det teoretiske udbytte antages det, at reaktionen er irreversibel, så den ikke når en ligevægtstilstand. Endvidere antages det, at de involverede reagenser kun reagerer ved hjælp af den pågældende reaktion, og der er ingen anden parallel reaktion, der kan reducere tilgængeligheden af ​​reagenser.

Beregning af teoretisk udbytte er en af ​​de grundlæggende færdigheder for enhver kemistuderende, og det er også en af ​​de hyppigste støkiometriske beregningsprocedurer, som du vil støde på i løbet af dine studier.

Det begrænsende reagens

Konceptet med begrænsende reagens er centralt for beregningen af ​​teoretisk udbytte. Dette er defineret som den reaktant, der findes i den mindste andel, hvorfor den er den første, der indtages i løbet af en kemisk reaktion.

Da en kemisk reaktion ikke kan forekomme, hvis en af ​​dens reaktanter ikke er til stede, stopper reaktionen i det øjeblik, hvor den begrænsende reaktant er færdig. Det betyder, at alle produkter ikke længere produceres, og at alle andre reaktanter ikke længere forbruges. Af denne grund bestemmer det begrænsende reagens, hvor langt en reaktion kan gå; det er den, der begrænser mængden af ​​produkter, der kan fremstilles, og af reaktanter, der kan forbruges, og deraf navnet.

dagligdags eksempel på begrænsende reagens

For bedre at forstå begrebet begrænsende reagens, lad os overveje forberedelsen af ​​en kage. Dette præparat kan betragtes som en kemisk reaktion, hvor ingredienserne er reaktanterne, og kagen er det eneste produkt.

Tilberedningen af ​​en kage kræver et bestemt antal ingredienser, på samme måde som en kemisk reaktion kræver et specifikt antal molekyler af hver reaktant. Lad os forestille os, at en meget enkel kageopskrift kræver 2 kopper mel, 5 æg og 1 kop sukker. Dette kunne skrives som:

Lad os nu stille os selv følgende spørgsmål: hvor mange kager kan vi tilberede, hvis vi, når vi åbner køleskabet, opdager, at der er 30 æg, 10 kopper mel og 8 kopper sukker?

Vi kan udlede dette ved separat at bestemme antallet af kager, som vi kunne tilberede med hver ingrediens:

• Med 30 æg kunne vi lave 6 kager, da hver enkelt kræver 5 æg.
• Med 10 kopper mel kunne vi tilberede 5 kager.
• 8 kopper sukker rækker til 8 kager

Nu spørger vi os selv, hvor mange kager kan vi egentlig lave, 5, 6 eller 8? Svaret er selvfølgelig 5. Begrundelsen er, at med den mængde mel, vi har, kan vi ikke lave mere end 5 kager. Alle de andre ingredienser rækker til endnu mere, men efter den femte kage er lavet, er der ikke mere mel til at lave endnu en, og det er lige meget, hvor meget ekstra sukker eller æg vi må have, da uden den ingrediens vil vi ikke kunne følge opskriften.

I dette tilfælde er melet den begrænsende ingrediens (forstået som det begrænsende reagens), fordi det begrænsede det maksimale antal kager, der kan fremstilles, til 5.

Disse 5 kager, der kan fremstilles af de ingredienser, vi har, ville i øvrigt komme til at repræsentere det teoretiske udbytte. Med andre ord kunne vi teoretisk lave 5 kager, men hvis vi knækker et æg i processen, spilder sukker eller brænder en af ​​kagerne, vil antallet af kager, vi faktisk kan producere, blive reduceret.

Fremgangsmåde for beregning af teoretisk udbytte

For at beregne det teoretiske udbytte skal man tage udgangspunkt i mængden af ​​det begrænsende reagens, da dette reagens, som forklaret ovenfor, når det først er færdigt, begrænser mængden af ​​produkter, der kan produceres, og de andre reagenser, der kan forbruges.

Nedenfor er en praktisk og hurtig måde at bestemme, hvilken der er den begrænsende reaktant, og hvilken der er eller er reaktanterne i overskud.

Bestemmelse af det begrænsende reagens

Der er flere måder at identificere den begrænsende reaktant på. En måde er ligesom vi gjorde i tærteeksemplet: ved at bestemme mængden af ​​produkt, vi kan få fra hver mængde reaktant, og derefter vælge den reaktant, der producerer den mindste mængde. Der er dog en anden mere praktisk og mekanisk måde at gøre det på.

Per definition er den begrænsende reaktant den, der er i den laveste støkiometriske andel. Dette betyder, at alt, hvad vi skal gøre for at identificere den begrænsende reaktant, er at bestemme det støkiometriske forhold, hvori alle reaktanterne er, og derefter vælge den mindste.

At bestemme det støkiometriske forhold er så simpelt som at beregne antallet af mol af hver reaktant og dividere det med den støkiometriske koefficient for den afbalancerede reaktion.

Eksempel

Antag, at 20 g jern omsættes med 20 g iltgas for at producere jernoxid (Fe ₂ O ₃ ). Bestem den begrænsende reaktant for reaktionen. Den molære masse af jern er 56g/mol, for oxygengas er den 32g/mol, og af jernoxid er den 160g/mol.

Det første trin er at skrive den afbalancerede kemiske ligning, som i dette tilfælde er:

Nu beregner vi antallet af mol fra massen og derefter det støkiometriske forhold. Dette kan organiseres i en tabel for at gøre processen lettere, især når der er mange reagenser:

Som det kan ses, er den reaktant, der er i en mindre andel i dette tilfælde, jern, så det er den begrænsende reaktant.

Beregning af teoretisk udbytte

Når vi ved, hvad den begrænsende reaktant er, kan vi bruge den til at udføre alle andre støkiometriske beregninger. Dette inkluderer at beregne mængden af ​​overskydende reaktanter, der faktisk kan forbruges, og dermed bestemme, hvor meget af dem, der vil forblive i overskud (ureageret), og selvfølgelig at beregne mængden af ​​produkter, der vil blive forbrugt. kan producere, dvs. teoretisk udbytte.

Alle disse beregninger udføres ved hjælp af de forskellige støkiometriske forhold, der kan etableres mellem det begrænsende reagens og hvert af de andre stoffer, der er involveret i reaktionen.

Det skal bemærkes, at hvis en reaktion genererer mere end ét produkt, så vil der være et udbytte for hvert af produkterne, men ikke for alle produkterne som helhed.

Eksempel

I forlængelse af det foregående eksempel ønsker vi nu at beregne, hvor meget (i gram) jernoxid, der kan produceres af 20 g jern og 20 g iltgas.

Det, der bliver bedt om, er at bestemme mængden af ​​produkt, der kan fremstilles givet mængderne af reaktanter, så det, du vil beregne, er det teoretiske udbytte af reaktionen. I det foregående eksempel bestemte vi, at det begrænsende reagens i dette tilfælde er jern, så mængden af ​​ferrioxid vil blive bestemt ud fra det. Det betyder, at beregningen starter med mængden af ​​jern og slutter med en mængde jernoxid, som vist nedenfor:

Referencer

• Brown, T. (2021). Kemi: Centralvidenskaben (11. udgave). London, England: Pearson Education.
• Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Kemi (10. udgave). New York City, NY: MCGRAW-HILL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 14. februar). 4.4 Reaktionsudbytter – Kemi 2e | OpenStax . Hentet fra https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• Støkiometri af kemiske reaktioner. (2020, 29. oktober). Hentet den 7. august fra https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• Udbyttet af reaktionerne . (2020, 30. oktober). Hentet den 7. august 2021 fra https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822