Lær hvordan du beregner teoretisk utbytte

Det teoretiske utbyttet av en kjemisk reaksjon er den maksimale mengde produkter som kan oppnås ved nevnte reaksjon fra kjente mengder reaktanter, forutsatt at reaksjonen fortsetter til den begrensende reaktanten er fullstendig oppbrukt. Det kalles teoretisk utbytte fordi man i praksis aldri oppnår mengden produkt som er forutsagt av dette utbyttet, det oppnås alltid en mindre mengde. Dette skyldes ulike årsaker, inkludert:

• Eksperimentelle feil ved bestemmelse av masser og volum.
• Tilstedeværelsen av urenheter i reagensene.
• Bireaksjoner som kan oppstå.
• Dannelse av kjemiske likevekter.
• Stoppe reaksjonen for tidlig (noe som er spesielt problematisk ved langsomme reaksjoner).

I beregningen av det teoretiske utbyttet antas det at reaksjonen er irreversibel, slik at den ikke når en likevektstilstand. Videre antas det at de involverte reagensene kun reagerer ved hjelp av den aktuelle reaksjonen, og det er ingen annen parallell reaksjon som kan redusere tilgjengeligheten av reagenser.

Beregning av teoretisk utbytte er en av de grunnleggende ferdighetene til enhver kjemistudent, og det er også en av de hyppigste støkiometriske beregningsprosedyrene du vil komme over i løpet av studiene.

Det begrensende reagenset

Konseptet med begrensende reagens er sentralt i beregningen av teoretisk utbytte. Dette er definert som reaktanten som finnes i den minste andelen, og det er derfor den er den første som blir konsumert i løpet av en kjemisk reaksjon.

Siden en kjemisk reaksjon ikke kan oppstå hvis en av reaktantene ikke er tilstede, stopper reaksjonen i det øyeblikket den begrensende reaktanten er ferdig. Dette betyr at alle produkter ikke lenger produseres og alle andre reaktanter ikke lenger forbrukes. Av denne grunn bestemmer det begrensende reagenset hvor langt en reaksjon kan gå; det er den som begrenser mengden av produkter som kan produseres og av reaktanter som kan konsumeres, og derav navnet.

dagligdags eksempel på begrensende reagens

For bedre å forstå konseptet med begrensende reagens, la oss vurdere tilberedningen av en kake. Dette preparatet kan betraktes som en kjemisk reaksjon der ingrediensene er reaktantene og kaken er det eneste produktet.

Tilberedning av en kake krever et spesifikt antall ingredienser, på samme måte som en kjemisk reaksjon krever et spesifikt antall molekyler av hver reaktant. La oss forestille oss at en veldig enkel kakeoppskrift krever 2 kopper mel, 5 egg og 1 kopp sukker. Dette kan skrives som:

La oss nå stille oss selv følgende spørsmål: hvor mange kaker kan vi tilberede hvis vi, når vi åpner kjøleskapet, finner ut at det er 30 egg, 10 kopper mel og 8 kopper sukker?

Vi kan utlede dette ved å bestemme separat hvor mange kaker vi kan tilberede med hver ingrediens:

• Med 30 egg kunne vi lage 6 kaker, siden hver enkelt krever 5 egg.
• Med 10 kopper mel kunne vi lage 5 kaker.
• 8 kopper sukker er nok til 8 kaker

Nå spør vi oss selv, hvor mange kaker kan vi egentlig lage, 5, 6 eller 8? Svaret er selvfølgelig 5. Begrunnelsen er at med mengden mel vi har kan vi ikke lage mer enn 5 kaker. Alle de andre ingrediensene er nok til enda mer, men etter den femte kaken er det ikke mer mel til å lage en til, og det spiller ingen rolle hvor mye ekstra sukker eller egg vi kan ha, siden uten den ingrediensen vil vi ikke være i stand til å følge oppskriften.

I dette tilfellet er melet den begrensende ingrediensen (forstått som det begrensende reagenset), fordi det begrenset maksimalt antall kaker som kan produseres til 5.

Forresten, disse 5 kakene som kan produseres av ingrediensene vi har ville komme til å representere det teoretiske utbyttet. Med andre ord kan vi teoretisk sett lage 5 kaker, men hvis vi knekker et egg i prosessen, søler sukker eller brenner en av kakene, vil antallet kaker vi faktisk kan produsere reduseres.

Prosedyre for beregning av teoretisk utbytte

For å beregne det teoretiske utbyttet må man ta utgangspunkt i mengden av det begrensende reagenset siden, som forklart ovenfor, når det først er ferdig, begrenser dette reagenset mengden av produkter som kan produseres og de andre reagensene som kan konsumeres.

Nedenfor er en praktisk og rask måte å finne ut hvilken som er den begrensende reaktanten og hvilken som er eller er reaktantene i overkant.

Bestemmelse av begrensende reagens

Det er flere måter å identifisere den begrensende reaktanten på. En måte er som vi gjorde i kakeeksemplet: ved å bestemme mengden produkt vi kan få fra hver mengde reaktant, og deretter velge reaktanten som produserer minst mengde. Det er imidlertid en annen mer praktisk og mekanisk måte å gjøre det på.

Per definisjon er den begrensende reaktanten den som er i den laveste støkiometriske andelen. Dette betyr at alt vi trenger å gjøre for å identifisere den begrensende reaktanten er å bestemme det støkiometriske forholdet der alle reaktantene er og deretter velge den minste.

Å bestemme det støkiometriske forholdet er så enkelt som å beregne antall mol av hver reaktant og dele det med den støkiometriske koeffisienten til den balanserte reaksjonen.

Eksempel

Anta at 20 g jern omsettes med 20 g oksygengass for å produsere jernoksid (Fe ₂ O ₃ ). Bestem den begrensende reaktanten for reaksjonen. Den molare massen til jern er 56 g/mol, for oksygengass er den 32 g/mol, og for jernoksid er den 160 g/mol.

Det første trinnet er å skrive den balanserte kjemiske ligningen, som i dette tilfellet er:

Nå beregner vi antall mol fra massen, og deretter det støkiometriske forholdet. Dette kan organiseres i en tabell for å gjøre prosessen enklere, spesielt når det er mange reagenser:

Som man kan se, er reaktanten som er i en mindre andel i dette tilfellet jern, så det er den begrensende reaktanten.

Beregning av teoretisk utbytte

Når vi vet hva den begrensende reaktanten er, kan vi bruke den til å utføre alle andre støkiometriske beregninger. Dette inkluderer å beregne mengden av overflødige reaktanter som faktisk kan konsumeres, og dermed bestemme hvor mye av dem som vil forbli i overskudd (ureagert), og selvfølgelig å beregne mengden av produkter som vil bli konsumert. kan produsere, dvs. teoretisk avkastning.

Alle disse beregningene utføres ved å bruke de forskjellige støkiometriske relasjonene som kan etableres mellom det begrensende reagenset og hvert av de andre stoffene som er involvert i reaksjonen.

Det skal bemerkes at hvis en reaksjon genererer mer enn ett produkt, vil det være et utbytte for hvert av produktene, men ikke for alle produktene som helhet.

Eksempel

For å fortsette med forrige eksempel ønsker vi nå å beregne hvor mye (i gram) jernoksid som kan produseres fra 20 g jern og 20 g oksygengass.

Det som blir spurt er å bestemme mengden produkt som kan produseres gitt mengden av reaktanter, så det du vil beregne er det teoretiske utbyttet av reaksjonen. I det forrige eksemplet bestemte vi at det begrensende reagenset i dette tilfellet er jern, så mengden jernoksid vil bli bestemt ut fra det. Dette betyr at beregningen starter med mengden jern og slutter med en mengde jernoksid, som vist nedenfor:

Referanser

• Brown, T. (2021). Chemistry: The Central Science (11. utgave). London, England: Pearson Education.
• Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Kjemi (10. utgave). New York City, NY: MCGRAW-HILL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 14. februar). 4.4 Reaksjonsutbytte – Kjemi 2e | OpenStax . Hentet fra https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• Støkiometrien til kjemiske reaksjoner. (2020, 29. oktober). Hentet 7. august fra https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• Utbyttet av reaksjonene . (2020, 30. oktober). Hentet 7. august 2021 fra https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822