Scopri come calcolare il rendimento teorico

La resa teorica di una reazione chimica è la massima quantità di prodotti che si potrebbe ottenere da detta reazione a partire da quantità note di reagenti, supponendo che la reazione proceda fino al completo esaurimento del reagente limitante. Si chiama resa teorica perché in pratica non si ottiene mai la quantità di prodotto prevista da questa resa, si ottiene sempre una quantità minore. Ciò è dovuto a vari motivi, tra cui:

• Errori sperimentali nella determinazione di masse e volumi.
• La presenza di impurità nei reagenti.
• Reazioni collaterali che possono verificarsi.
• Formazione degli equilibri chimici.
• Fermare la reazione prematuramente (che è particolarmente problematico quando si ha a che fare con reazioni lente).

Nel calcolo della resa teorica si assume che la reazione sia irreversibile, quindi non raggiunga uno stato di equilibrio. Inoltre, si presume che i reagenti coinvolti reagiscano solo mediante la reazione in questione e non vi siano altre reazioni parallele che possano ridurre la disponibilità di reagenti.

Il calcolo della resa teorica è una delle competenze di base di qualsiasi studente di chimica ed è anche una delle procedure di calcolo stechiometrico più frequenti che ti imbatterai durante i tuoi studi.

Il reagente limitante

Il concetto di reagente limitante è fondamentale per il calcolo della resa teorica. Questo è definito come il reagente che si trova nella proporzione più piccola, motivo per cui è il primo ad essere consumato nel corso di una reazione chimica.

Poiché una reazione chimica non può avvenire se uno dei suoi reagenti non è presente, allora nel momento in cui il reagente limitante è esaurito, la reazione si arresta. Ciò significa che tutti i prodotti non vengono più prodotti e tutti gli altri reagenti non vengono più consumati. Per questo motivo, il reagente limitante determina fino a che punto può spingersi una reazione; è quello che limita la quantità di prodotti che possono essere prodotti e di reagenti che possono essere consumati, da qui il suo nome.

esempio quotidiano di reagente limitante

Per comprendere meglio il concetto di reagente limitante, consideriamo la preparazione di una torta. Questa preparazione potrebbe essere considerata come una reazione chimica in cui gli ingredienti sono i reagenti e la torta è l’unico prodotto.

La preparazione di una torta richiede un numero specifico di ingredienti, allo stesso modo in cui una reazione chimica richiede un numero specifico di molecole di ciascun reagente. Immaginiamo che una ricetta di torta molto semplice richieda 2 tazze di farina, 5 uova e 1 tazza di zucchero. Questo potrebbe essere scritto come:

Ora poniamoci la seguente domanda: quante torte possiamo preparare se, aprendo il frigorifero, troviamo che ci sono 30 uova, 10 tazze di farina e 8 tazze di zucchero?

Possiamo dedurlo determinando separatamente il numero di torte che potremmo preparare con ogni ingrediente:

• Con 30 uova potremmo fare 6 torte, dato che ognuna richiede 5 uova.
• Con 10 tazze di farina potremmo preparare 5 torte.
• 8 tazze di zucchero sono sufficienti per 8 torte

Ora ci chiediamo, quante torte possiamo davvero fare, 5, 6 o 8? La risposta, ovviamente, è 5. Il ragionamento è che con la quantità di farina che abbiamo non possiamo fare più di 5 torte. Tutti gli altri ingredienti sono sufficienti per farne ancora di più, ma dopo che la quinta torta è stata fatta, non ci sarà più farina per farne un’altra e non importa quanto zucchero o uova in più potremmo avere, poiché senza quell’ingrediente non essere in grado di seguire la ricetta.

In questo caso la farina è l’ingrediente limitante (inteso come reagente limitante), perché ha limitato a 5 il numero massimo di torte che si possono produrre.

A proposito, queste 5 torte che possono essere prodotte dagli ingredienti che abbiamo arriverebbero a rappresentare la resa teorica. In altre parole, potremmo teoricamente fare 5 torte, ma se durante il processo rompiamo un uovo, versiamo lo zucchero o bruciamo una delle torte, il numero di torte che possiamo effettivamente produrre sarà ridotto.

Procedura per il calcolo della resa teorica

Per calcolare la resa teorica si deve partire dalla quantità del reagente limitante poiché, come spiegato sopra, questo reagente finito per primo limita la quantità di prodotti che si possono produrre e gli altri reagenti che si possono consumare.

Di seguito è riportato un modo pratico e veloce per determinare qual è il reagente limitante e quale è o sono i reagenti in eccesso.

Determinazione del reagente limitante

Esistono diversi modi per identificare il reagente limitante. Un modo è come abbiamo fatto nell’esempio della torta: determinando la quantità di prodotto che possiamo ottenere da ciascuna quantità di reagente, quindi selezionando il reagente che produce la quantità minore. Tuttavia, c’è un altro modo più pratico e meccanico per farlo.

Per definizione, il reagente limitante è quello che si trova nella proporzione stechiometrica più bassa. Ciò significa che tutto ciò che dobbiamo fare per identificare il reagente limitante è determinare il rapporto stechiometrico in cui si trovano tutti i reagenti e quindi selezionare il più piccolo.

Determinare il rapporto stechiometrico è semplice come calcolare il numero di moli di ciascun reagente e dividerlo per il coefficiente stechiometrico della reazione bilanciata.

Esempio

Supponiamo che 20 g di ferro vengano fatti reagire con 20 g di ossigeno gassoso per produrre ossido ferrico (Fe ₂ O ₃ ). Determinare il reagente limitante della reazione. La massa molare del ferro è 56 g/mol, dell’ossigeno gassoso è 32 g/mol e dell’ossido di ferro è 160 g/mol.

Il primo passo è scrivere l’equazione chimica bilanciata, che, in questo caso, è:

Ora calcoliamo il numero di moli dalla massa e poi il rapporto stechiometrico. Questo può essere organizzato in una tabella per facilitare il processo, soprattutto quando ci sono numerosi reagenti:

Come puoi vedere, il reagente che è in una proporzione inferiore in questo caso è il ferro, quindi è il reagente limitante.

Calcolo del rendimento teorico

Una volta che sappiamo qual è il reagente limitante, possiamo usarlo per eseguire tutti gli altri calcoli stechiometrici. Ciò include il calcolo della quantità di reagenti in eccesso che possono essere effettivamente consumati, determinando quindi quanto di essi rimarrà in eccesso (non reagito) e, naturalmente, calcolando le quantità di prodotti che saranno consumati in grado di produrre, cioè il rendimento teorico.

Tutti questi calcoli vengono effettuati utilizzando le diverse relazioni stechiometriche che si possono stabilire tra il reagente limitante e ciascuna delle altre sostanze coinvolte nella reazione.

Va notato che se una reazione genera più di un prodotto, allora ci sarà una resa per ciascuno dei prodotti, ma non per tutti i prodotti nel loro insieme.

Esempio

Continuando con l’esempio precedente, vogliamo ora calcolare quanto (in grammi) di ossido di ferro può essere prodotto da 20 g di ferro e 20 g di ossigeno gassoso.

Ciò che viene chiesto è determinare la quantità di prodotto che può essere prodotta date le quantità di reagenti, quindi ciò che si desidera calcolare è la resa teorica della reazione. Nell’esempio precedente abbiamo determinato che il reagente limitante in questo caso è il ferro, quindi da esso verrà determinata la quantità di ossido ferrico. Ciò significa che il calcolo inizia con la quantità di ferro e termina con una quantità di ossido ferrico, come mostrato di seguito:

Riferimenti

• Marrone, T. (2021). Chimica: The Central Science (11a ed.). Londra, Inghilterra: Pearson Education.
• Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS e Herranz, ZR (2020). Chimica (10a ed.). New York City, NY: MCGRAW-HILL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R. e Robinson, WR (2019c, 14 febbraio). 4.4 Rese di reazione – Chimica 2e | OpenStax . Estratto da https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• La stechiometria delle reazioni chimiche. (2020, 29 ottobre). Estratto il 7 agosto da https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
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