Tabla de Contenidos
Kemiallisen reaktion teoreettinen saanto on tuotteiden enimmäismäärä, joka voidaan saada mainitulla reaktiolla tunnetuista reaktanttimääristä olettaen, että reaktio etenee, kunnes rajoittava reaktantti on täysin loppunut. Sitä kutsutaan teoreettiseksi saannoksi, koska käytännössä tämän saannon ennustamaa tuotteen määrää ei koskaan saada, vaan saadaan aina pienempi määrä. Tämä johtuu useista syistä, mukaan lukien:
- Kokeelliset virheet massojen ja tilavuuksien määrittämisessä.
- Epäpuhtauksien esiintyminen reagensseissa.
- Mahdollisia sivureaktioita.
- Kemiallisten tasapainojen muodostuminen.
- Reaktion keskeyttäminen ennenaikaisesti (mikä on erityisen ongelmallista hitaiden reaktioiden käsittelyssä).
Teoreettisen saannon laskennassa oletetaan, että reaktio on irreversiibeli, joten se ei saavuta tasapainotilaa. Lisäksi oletetaan, että mukana olevat reagenssit reagoivat vain kyseessä olevan reaktion avulla, eikä ole olemassa muuta rinnakkaista reaktiota, joka voisi vähentää reagenssien saatavuutta.
Teoreettisen tuoton laskeminen on jokaisen kemian opiskelijan perustaitoja ja se on myös yksi yleisimmistä stoikiometrisista laskentamenetelmistä, johon opintojen aikana törmäät.
Rajoitusreagenssi
Rajoitusreagenssin käsite on keskeinen teoreettisen saannon laskennassa. Tämä määritellään reagoivaksi aineeksi, jota löytyy pienin osuus, minkä vuoksi se on ensimmäinen, joka kuluu kemiallisen reaktion aikana.
Koska kemiallista reaktiota ei voi tapahtua, jos jokin sen lähtöaineista ei ole läsnä, reaktio pysähtyy sillä hetkellä, kun rajoittava reaktantti on valmis. Tämä tarkoittaa, että kaikkia tuotteita ei enää valmisteta eikä muita lähtöaineita enää kuluteta. Tästä syystä rajoittava reagenssi määrittää, kuinka pitkälle reaktio voi mennä; se on se, joka rajoittaa valmistettavien tuotteiden ja kulutettavien lähtöaineiden määrää, ja tästä syystä sen nimi.
jokapäiväinen esimerkki rajoittavasta reagenssista
Ymmärtääksemme paremmin rajoittavan reagenssin käsitteen, harkitsemme kakun valmistamista. Tätä valmistetta voidaan pitää kemiallisena reaktiona, jossa ainesosat ovat reagoivia aineita ja kakku on ainoa tuote.
Kakun valmistaminen vaatii tietyn määrän ainesosia, samalla tavalla kuin kemiallinen reaktio vaatii tietyn määrän molekyylejä jokaisesta lähtöaineesta. Kuvitellaan, että hyvin yksinkertainen kakkuresepti vaatii 2 kupillista jauhoja, 5 munaa ja 1 kupillinen sokeria. Tämän voisi kirjoittaa näin:
Kysytään nyt itseltämme seuraava kysymys: kuinka monta kakkua voimme valmistaa, jos jääkaapin avaamisen jälkeen huomaamme, että siinä on 30 munaa, 10 kupillista jauhoja ja 8 kupillista sokeria?
Voimme päätellä tämän määrittämällä erikseen, kuinka monta kakkua voisimme valmistaa jokaisesta ainesosasta:
- 30 munalla voisimme tehdä 6 kakkua, koska jokainen vaatii 5 munaa.
- Kymmenellä kupilla jauhoja voisimme valmistaa 5 kakkua.
- 8 kupillista sokeria riittää 8 kakkuun
Nyt kysymme itseltämme, kuinka monta kakkua voimme todella tehdä, 5, 6 vai 8? Vastaus on tietysti 5. Perusteluna on, että meillä olevalla jauhomäärällä emme voi tehdä enempää kuin 5 kakkua. Kaikki muut ainekset riittävät vielä useampaankin, mutta viidennen kakun valmistuksen jälkeen ei ole enää jauhoja toisen tekemiseen, eikä sillä ole väliä kuinka paljon ylimääräistä sokeria tai munia meillä on, koska ilman sitä ei voi seurata reseptiä.
Tässä tapauksessa jauho on rajoittava ainesosa (joka ymmärretään rajoittavaksi reagenssiksi), koska se rajoitti valmistettavien kakkujen enimmäismäärän viiteen.
Muuten, nämä 5 kakkua, jotka voidaan valmistaa omista aineksistamme, edustaisivat teoreettista saantoa. Toisin sanoen voisimme teoriassa tehdä 5 kakkua, mutta jos rikomme prosessin aikana munan, läikytämme sokeria tai poltamme yhden kakuista, todella valmistamamme kakkujen määrä vähenee.
Menettely teoreettisen tuoton laskemiseksi
Teoreettisen saannon laskemiseksi on aloitettava rajoittavan reagenssin määrästä, koska, kuten edellä selitettiin, kun tämä reagenssi on ensin valmis, se rajoittaa tuotettujen tuotteiden ja muiden kulutettavien reagenssien määrää.
Alla on käytännöllinen ja nopea tapa määrittää, mikä on rajoittava reagenssi ja mikä on tai ovat ylimääräisiä lähtöaineita.
Rajoitusreagenssin määritys
On olemassa useita tapoja tunnistaa rajoittava reagenssi. Yksi tapa on kuten teimme piirakkaesimerkissä: määrittämällä tuotemäärän, jonka voimme saada jokaisesta lähtöainemäärästä, ja valitsemalla sitten lähtöaineen, joka tuottaa vähiten määrän. On kuitenkin olemassa toinen käytännöllisempi ja mekaanisempi tapa tehdä se.
Määritelmän mukaan rajoittava reaktantti on se, jonka stoikiometrinen osuus on pienin. Tämä tarkoittaa, että meidän on vain määritettävä stökiömetrinen suhde, jossa kaikki reagoivat aineet ovat, ja valita sitten pienin.
Stökiömetrisen suhteen määrittäminen on yhtä helppoa kuin laskea kunkin lähtöaineen moolimäärä ja jakaa se tasapainotetun reaktion stoikiometrisellä kertoimella.
Esimerkki
Oletetaan, että 20 g rautaa saatetaan reagoimaan 20 g happikaasua, jolloin muodostuu rautaoksidia (Fe 2 O 3 ). Määritä reaktion rajoittava reaktantti. Raudan moolimassa on 56 g/mol, happikaasun 32 g/mol ja rautaoksidin 160 g/mol.
Ensimmäinen askel on kirjoittaa tasapainotettu kemiallinen yhtälö, joka tässä tapauksessa on:
Nyt laskemme moolien lukumäärän massasta ja sitten stoikiometrisen suhteen. Tämä voidaan järjestää taulukkoon prosessin helpottamiseksi, varsinkin kun reagensseja on useita:
Reagenssi | Massa | myyrät | Suhde | Rajoitus vai ylimääräinen reagenssi? |
Usko | 20 g | 20/56 = 0,357 mol | 0,357 / 4 = 0,08925 | Rajoitusreagenssi. |
tai 2 | 20 g | 20/32 = 0,625 mol | 0,625 / 3 = 0,2083 | Ylimääräinen reagenssi. |
Kuten voidaan nähdä, tässä tapauksessa pienemmässä osassa oleva lähtöaine on rautaa, joten se on rajoittava reagenssi.
Teoreettisen tuoton laskeminen
Kun tiedämme, mikä rajoittava reaktantti on, voimme käyttää sitä kaikkien muiden stoikiometristen laskelmien suorittamiseen. Tähän sisältyy todellisuudessa kulutettavien ylimääräisten reagenssien määrien laskeminen ja siten sen määrittäminen, kuinka paljon niistä jää ylimääräksi (reagoimattomiksi) ja tietysti kulutettavien tuotteiden määrien laskeminen. teoreettinen tuotto.
Kaikki nämä laskelmat suoritetaan käyttämällä erilaisia stoikiometrisiä suhteita, jotka voidaan muodostaa rajoittavan reagenssin ja jokaisen muun reaktioon osallistuvan aineen välillä.
On huomattava, että jos reaktio synnyttää useamman kuin yhden tuotteen, saadaan jokaiselle tuotteelle saanto, mutta ei kaikille tuotteille kokonaisuutena.
Esimerkki
Jatkamme edellistä esimerkkiä, haluamme nyt laskea, kuinka paljon (grammoina) rautaoksidia voidaan tuottaa 20 g:sta rautaa ja 20 g:sta happikaasua.
Kysymys on määrittää tuotteen määrä, joka voidaan tuottaa reagoivien aineiden määrien perusteella, joten haluat laskea reaktion teoreettisen saannon. Edellisessä esimerkissä määritimme, että tässä tapauksessa rajoittava reagenssi on rauta, joten rautaoksidin määrä määritetään siitä. Tämä tarkoittaa, että laskenta alkaa raudan määrästä ja päättyy rautaoksidin määrään alla olevan kuvan mukaisesti:
Viitteet
- Brown, T. (2021). Chemistry: The Central Science (11. painos). Lontoo, Englanti: Pearson Education.
- Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS ja Herranz, ZR (2020). Kemia (10. painos). New York City, NY: MCGRAW-HILL.
- Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 14. helmikuuta). 4.4 Reaktiotulokset – kemia 2e | OpenStax . Haettu osoitteesta https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
- Kemiallisten reaktioiden stoikiometria. (2020, 29. lokakuuta). Haettu 7. elokuuta osoitteesta https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
- Reaktioiden saannot . (2020, 30. lokakuuta). Haettu 7. elokuuta 2021 osoitteesta https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822