Lär dig hur du beräknar teoretisk avkastning

Det teoretiska utbytet av en kemisk reaktion är den maximala mängd produkter som kan erhållas genom nämnda reaktion från kända mängder av reaktanter, förutsatt att reaktionen fortgår tills den begränsande reaktanten är helt uttömd. Det kallas teoretiskt utbyte eftersom man i praktiken aldrig erhåller mängden produkt som förutsägs av detta utbyte, utan en mindre kvantitet erhålls alltid. Detta beror på olika anledningar, inklusive:

• Experimentella fel vid bestämning av massor och volymer.
• Förekomsten av föroreningar i reagenserna.
• Sidereaktioner som kan uppstå.
• Bildning av kemiska jämvikter.
• Att stoppa reaktionen i förtid (vilket är särskilt problematiskt när man hanterar långsamma reaktioner).

Vid beräkningen av det teoretiska utbytet antas det att reaktionen är irreversibel, så att den inte når ett jämviktstillstånd. Vidare antas att de inblandade reagensen endast reagerar med hjälp av reaktionen i fråga, och det finns ingen annan parallell reaktion som skulle kunna minska tillgängligheten av reagens.

Beräkning av teoretiskt utbyte är en av de grundläggande färdigheterna för alla kemistudenter och det är också en av de vanligaste stökiometriska beräkningsprocedurerna som du kommer att stöta på under dina studier.

Det begränsande reagenset

Konceptet med begränsande reagens är centralt för beräkningen av teoretiskt utbyte. Detta definieras som den reaktant som finns i den minsta andelen, varför den är den första som konsumeras under en kemisk reaktion.

Eftersom en kemisk reaktion inte kan inträffa om en av dess reaktanter inte är närvarande, stoppar reaktionen i samma ögonblick som den begränsande reaktanten är klar. Detta innebär att alla produkter inte längre produceras och alla andra reaktanter inte längre förbrukas. Av denna anledning bestämmer det begränsande reagenset hur långt en reaktion kan gå; det är den som begränsar mängden produkter som kan produceras och reaktanter som kan konsumeras, och därav dess namn.

vardagligt exempel på begränsande reagens

För att bättre förstå konceptet med begränsande reagens, låt oss överväga beredningen av en kaka. Denna beredning kan betraktas som en kemisk reaktion där ingredienserna är reaktanterna och kakan är den enda produkten.

Förberedelsen av en kaka kräver ett visst antal ingredienser, på samma sätt som en kemisk reaktion kräver ett specifikt antal molekyler av varje reaktant. Låt oss föreställa oss att ett mycket enkelt kakrecept kräver 2 koppar mjöl, 5 ägg och 1 kopp socker. Detta skulle kunna skrivas som:

Låt oss nu ställa oss följande fråga: hur många kakor kan vi förbereda om vi, när vi öppnar kylskåpet, upptäcker att det finns 30 ägg, 10 koppar mjöl och 8 koppar socker?

Vi kan härleda detta genom att separat bestämma antalet kakor som vi kan förbereda med varje ingrediens:

• Med 30 ägg kunde vi göra 6 kakor, eftersom var och en kräver 5 ägg.
• Med 10 koppar mjöl kunde vi förbereda 5 kakor.
• 8 koppar socker räcker till 8 kakor

Nu frågar vi oss, hur många kakor kan vi egentligen göra, 5, 6 eller 8? Svaret är förstås 5. Resonemanget är att med den mängd mjöl vi har kan vi inte göra mer än 5 kakor. Alla andra ingredienser räcker till ännu mer, men efter att den femte kakan är gjord blir det inte mer mjöl att göra en till och det spelar ingen roll hur mycket extra socker eller ägg vi kan ha, för utan den ingrediensen kommer vi att inte kunna följa receptet.

I det här fallet är mjölet den begränsande ingrediensen (förstått som det begränsande reagenset), eftersom det begränsat det maximala antalet kakor som kan produceras till 5.

Förresten, dessa 5 kakor som kan tillverkas av de ingredienser vi har skulle komma att representera det teoretiska utbytet. Med andra ord skulle vi teoretiskt kunna göra 5 kakor, men om vi knäcker ett ägg i processen, spiller socker eller bränner en av kakorna, kommer antalet kakor vi faktiskt kan producera att minska.

Procedur för beräkning av teoretisk avkastning

För att beräkna det teoretiska utbytet måste man utgå från mängden begränsande reagens eftersom, som förklarats ovan, när det är klart först, begränsar detta reagens mängden produkter som kan produceras och de andra reagensen som kan konsumeras.

Nedan finns ett praktiskt och snabbt sätt att bestämma vilken som är den begränsande reaktanten och vilken som är eller är reaktanterna i överskott.

Bestämning av det begränsande reagenset

Det finns flera sätt att identifiera den begränsande reaktanten. Ett sätt är som vi gjorde i pajexemplet: genom att bestämma mängden produkt vi kan få från varje mängd reaktant, och sedan välja den reaktant som producerar minst mängd. Det finns dock ett annat mer praktiskt och mekaniskt sätt att göra det på.

Per definition är den begränsande reaktanten den som har den lägsta stökiometriska proportionen. Detta innebär att allt vi behöver göra för att identifiera den begränsande reaktanten är att bestämma det stökiometriska förhållandet i vilket alla reaktanter är och sedan välja den minsta.

Att bestämma det stökiometriska förhållandet är så enkelt som att beräkna antalet mol av varje reaktant och dividera det med den stökiometriska koefficienten för den balanserade reaktionen.

Exempel

Antag att 20 g järn reageras med 20 g syrgas för att producera järnoxid (Fe ₂ O ₃ ). Bestäm reaktionens begränsande reaktant. Järns molmassa är 56 g/mol, för syrgas är den 32 g/mol och för järnoxid är den 160 g/mol.

Det första steget är att skriva den balanserade kemiska ekvationen, som i det här fallet är:

Nu beräknar vi antalet mol från massan och sedan det stökiometriska förhållandet. Detta kan organiseras i en tabell för att göra processen enklare, särskilt när det finns många reagenser:

Som man kan se är den reaktant som är i en mindre andel i detta fall järn, så det är den begränsande reaktanten.

Beräkning av teoretisk avkastning

När vi väl vet vad den begränsande reaktanten är kan vi använda den för att utföra alla andra stökiometriska beräkningar. Detta inkluderar att beräkna mängden överskott av reaktanter som faktiskt kan konsumeras, och på så sätt bestämma hur mycket av dem som kommer att finnas kvar i överskott (oreagerat), och, naturligtvis, beräkning av mängden produkter som kommer att konsumeras. kan producera, det vill säga teoretiskt utbyte.

Alla dessa beräkningar utförs med hjälp av de olika stökiometriska sambanden som kan fastställas mellan det begränsande reagenset och var och en av de andra substanserna som är involverade i reaktionen.

Det bör noteras att om en reaktion genererar mer än en produkt, kommer det att finnas ett utbyte för var och en av produkterna, men inte för alla produkter som helhet.

Exempel

För att fortsätta med föregående exempel vill vi nu beräkna hur mycket (i gram) järnoxid som kan produceras av 20 g järn och 20 g syrgas.

Det som efterfrågas är att bestämma mängden produkt som kan produceras givet mängden reaktanter, så det man vill räkna ut är det teoretiska utbytet av reaktionen. I det föregående exemplet bestämde vi att det begränsande reagenset i detta fall är järn, så mängden järnoxid kommer att bestämmas från det. Det betyder att beräkningen börjar med mängden järn och slutar med en mängd järnoxid, som visas nedan:

Referenser

• Brown, T. (2021). Kemi: The Central Science (11:e upplagan). London, England: Pearson Education.
• Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Chemistry (10:e upplagan). New York, NY: MCGRAW-HILL.
• Flowers, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 14 februari). 4.4 Reaktionsutbyten – Kemi 2e | OpenStax . Hämtad från https://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• Kemiska reaktioners stökiometri. (2020, 29 oktober). Hämtad den 7 augusti från https://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• Utbyten av reaktionerna . (2020, 30 oktober). Hämtad den 7 augusti 2021 från https://espanol.libretexts.org/@go/page/1822