理論収量の計算方法を学ぶ

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化学反応の理論収量は、制限反応物が完全に使い尽くされるまで反応が進行すると仮定して、既知の量の反応物からその反応によって得られる生成物の最大量です。実際には、この収率によって予測される製品の量が得られることはなく、常により少ない量が得られるため、理論的収率と呼ばれます。これは、次のようなさまざまな理由によるものです。

質量と体積の決定における実験誤差。
試薬中の不純物の存在。
発生する可能性のある副反応。
化学平衡の形成。
反応を時期尚早に停止する (反応が遅い場合に特に問題となります)。

理論収量の計算では、反応は不可逆的であると仮定されているため、平衡状態には達しません。さらに、関与する試薬は問題の反応によってのみ反応し、試薬の利用可能性を低下させる可能性のある他の並行反応はないと想定されます。

理論収量の計算は、化学の学生の基本的なスキルの 1 つであり、研究中に出くわす最も頻繁な化学量論的計算手順の 1 つでもあります。

制限試薬

試薬を制限するという概念は、理論収量の計算の中心です。これは、化学反応の過程で最初に消費される理由である、最小の割合で見られる反応物として定義されます。

化学反応は、その反応物質の 1 つが存在しなければ発生しないため、制限反応物質が終了した瞬間に反応は停止します。これは、すべての生成物が生成されなくなり、他のすべての反応物が消費されなくなることを意味します。このため、制限試薬は反応がどこまで進むことができるかを決定します。それは、生産できる製品の量と消費できる反応物の量を制限するものであるため、その名前が付けられています。

試薬を制限する日常的な例

試薬を制限するという概念をよりよく理解するために、ケーキの準備を考えてみましょう。この準備は、成分が反応物であり、ケーキが唯一の製品である化学反応と見なすことができます。

化学反応が各反応物の特定の数の分子を必要とするのと同じように、ケーキの準備には特定の数の成分が必要です. 非常に単純なケーキのレシピで、小麦粉 2 カップ、卵 5 個、砂糖 1 カップが必要であるとします。これは次のように記述できます。

ここで、次の質問を自問してみましょう: 冷蔵庫を開けたときに、卵が 30 個、小麦粉が 10 カップ、砂糖が 8 カップあるとしたら、何個のケーキを準備できますか?

これは、各材料で準備できるケーキの数を個別に決定することで推測できます。

30 個の卵で 6 個のケーキを作ることができます。
10 カップの小麦粉で 5 つのケーキを作ることができます。
ケーキ8個分には砂糖8カップで十分

今、私たちは自問自答します.5、6、または8個のケーキを実際にいくつ作ることができますか? もちろん、答えは 5 です。理由は、私たちが持っている小麦粉の量では、5 個以上のケーキを作ることができないからです。他のすべての材料でさらに十分ですが、5 番目のケーキを作ると、次のケーキを作るための小麦粉がなくなります。余分な砂糖や卵がいくらあっても問題ありません。レシピを守れない。

この場合、製造できるケーキの最大数が 5 に制限されているため、小麦粉が制限成分です (制限試薬として理解されます)。

ちなみに、今ある材料で作れるケーキ5個は理論上の収量になります。つまり、理論上は5個作ることができますが、途中で卵を割ったり、砂糖をこぼしたり、1個を焦がしたりしてしまうと、実際に作れる個数が減ってしまいます。

理論収量の計算手順

理論収量を計算するには、制限試薬の量から開始する必要があります。これは、上記で説明したように、最初に終了したときに、この試薬が生成できる製品の量と消費できる他の試薬の量を制限するためです。

以下は、どれが制限反応物であり、どれが過剰な反応物であるかを判断するための実用的かつ迅速な方法です.

制限試薬の決定

制限反応物を識別する方法はいくつかあります。1 つの方法は、パイの例で行ったようなものです。各反応物質から得られる生成物の量を決定し、生成量が最も少ない反応物質を選択します。ただし、より実用的で機械的な方法がもう 1 つあります。

定義により、制限反応物は、化学量論的比率が最も低いものです。これは、制限反応物を特定するために必要なことは、すべての反応物が存在する化学量論比を決定し、最小のものを選択することだけであることを意味します。

化学量論比の決定は、各反応物のモル数を計算し、それを平衡反応の化学量論係数で割るだけです。

例

20g の鉄を 20g の酸素ガスと反応させて酸化鉄 (Fe ₂ O ₃ ) を生成するとします。反応の制限反応物を決定します。鉄のモル質量は 56g/mol、酸素ガスのモル質量は 32g/mol、酸化鉄のモル質量は 160g/mol です。

最初のステップは、バランスの取れた化学式を書くことです。この場合は次のとおりです。

次に、質量からモル数を計算し、化学量論比を計算します。これは、特に多数の試薬がある場合に、プロセスを簡単にするために表にまとめることができます。

試薬	質量	ほくろ	割合	試薬の制限または過剰？
信仰	20g	20/56 = 0.357mol	0.357 / 4 = 0.08925	制限試薬。
または₂	20g	20/32 = 0.625モル	0.625 / 3 = 0.2083	過剰な試薬。

ご覧のとおり、この場合の割合が小さい反応物は鉄であるため、それが制限反応物です。