เรียนรู้วิธีการคำนวณผลตอบแทนทางทฤษฎี

ผลผลิตตามทฤษฎีของปฏิกิริยาเคมีคือปริมาณสูงสุดของผลิตภัณฑ์ที่สามารถได้รับจากปฏิกิริยาดังกล่าวจากปริมาณสารตั้งต้นที่ทราบ สมมติว่าปฏิกิริยาดำเนินไปจนกระทั่งสารตั้งต้นที่มีขีดจำกัดหมดลงอย่างสมบูรณ์ เรียกว่าผลผลิตตามทฤษฎีเพราะในทางปฏิบัติปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่คาดการณ์โดยผลผลิตนี้ไม่เคยได้รับ แต่จะได้รับปริมาณที่น้อยกว่าเสมอ นี่เป็นเพราะสาเหตุหลายประการ ได้แก่ :

• ข้อผิดพลาดของการทดลองในการหามวลและปริมาตร
• การปรากฏตัวของสิ่งเจือปนในรีเอเจนต์
• อาการข้างเคียงที่อาจเกิดขึ้น.
• การก่อตัวของสมดุลเคมี
• การหยุดปฏิกิริยาก่อนเวลาอันควร (ซึ่งเป็นปัญหาอย่างยิ่งเมื่อต้องรับมือกับปฏิกิริยาที่ช้า)

ในการคำนวณผลผลิตทางทฤษฎี จะสันนิษฐานว่าปฏิกิริยาไม่สามารถย้อนกลับได้ ดังนั้นจึงไม่เข้าสู่สภาวะสมดุล นอกจากนี้ สันนิษฐานว่ารีเอเจนต์ที่เกี่ยวข้องทำปฏิกิริยาโดยวิธีของปฏิกิริยาที่เป็นปัญหาเท่านั้น และไม่มีปฏิกิริยาคู่ขนานอื่นใดที่สามารถลดความพร้อมใช้งานของรีเอเจนต์ได้

การคำนวณผลผลิตทางทฤษฎีเป็นหนึ่งในทักษะพื้นฐานของนักศึกษาเคมี และยังเป็นหนึ่งในขั้นตอนการคำนวณปริมาณสารสัมพันธ์ที่พบบ่อยที่สุดที่คุณจะพบในระหว่างการศึกษาของคุณ

น้ำยาจำกัด

แนวคิดของการจำกัดรีเอเจนต์เป็นหัวใจสำคัญของการคำนวณผลผลิตทางทฤษฎี สิ่งนี้ถูกกำหนดให้เป็นสารตั้งต้นที่พบในสัดส่วนที่น้อยที่สุด ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงถูกบริโภคเป็นอย่างแรกในระหว่างปฏิกิริยาเคมี

เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีไม่สามารถเกิดขึ้นได้หากไม่มีสารตั้งต้น ดังนั้นเมื่อสารตั้งต้นที่จำกัดหมดลง ปฏิกิริยาจะหยุดลง ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีการผลิตผลิตภัณฑ์ทั้งหมดอีกต่อไป และสารตั้งต้นอื่นๆ ทั้งหมดจะไม่ถูกใช้อีกต่อไป ด้วยเหตุผลนี้ รีเอเจนต์ที่จำกัดจะกำหนดว่าปฏิกิริยาจะไปได้ไกลแค่ไหน เป็นสิ่งที่จำกัดปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่สามารถผลิตได้และสารตั้งต้นที่สามารถบริโภคได้ และด้วยเหตุนี้ชื่อของมัน

ตัวอย่างประจำวันของการจำกัดรีเอเจนต์

เพื่อให้เข้าใจแนวคิดของการจำกัดรีเอเจนต์ได้ดียิ่งขึ้น เรามาพิจารณาการเตรียมเค้กกัน การเตรียมนี้อาจพิจารณาได้ว่าเป็นปฏิกิริยาเคมีที่ส่วนผสมเป็นสารตั้งต้นและเค้กเป็นผลิตภัณฑ์เดียว

การเตรียมเค้กต้องใช้ส่วนผสมจำนวนหนึ่ง เช่นเดียวกับปฏิกิริยาเคมีที่ต้องใช้จำนวนโมเลกุลเฉพาะของสารตั้งต้นแต่ละตัว ลองนึกดูว่าสูตรเค้กง่ายๆ ต้องใช้แป้ง 2 ถ้วย ไข่ 5 ฟอง และน้ำตาล 1 ถ้วย สิ่งนี้สามารถเขียนเป็น:

ทีนี้ลองถามตัวเองด้วยคำถามต่อไปนี้: เราจะเตรียมเค้กได้กี่ก้อน หากเปิดตู้เย็นแล้วพบว่ามีไข่ 30 ฟอง แป้ง 10 ถ้วย และน้ำตาล 8 ถ้วย

เราสามารถอนุมานได้โดยการกำหนดจำนวนเค้กที่เราสามารถเตรียมด้วยส่วนผสมแต่ละอย่างแยกจากกัน:

• ด้วยไข่ 30 ฟอง เราสามารถทำเค้กได้ 6 ชิ้น เนื่องจากแต่ละชิ้นต้องใช้ไข่ 5 ฟอง
• ด้วยแป้ง 10 ถ้วย เราสามารถเตรียมเค้กได้ 5 ชิ้น
• น้ำตาล 8 ถ้วยก็เพียงพอสำหรับเค้ก 8 ชิ้น

ตอนนี้เราถามตัวเองว่าเราทำเค้กได้กี่ชิ้น 5, 6 หรือ 8? แน่นอน คำตอบคือ 5 เหตุผลคือด้วยปริมาณแป้งที่เรามีเราไม่สามารถทำเค้กได้มากกว่า 5 ชิ้น ส่วนผสมอื่นๆ ทั้งหมดก็เพียงพอแล้ว แต่หลังจากทำเค้กก้อนที่ 5 แล้ว จะไม่มีแป้งสำหรับทำเค้กชิ้นอื่นอีกต่อไป และไม่สำคัญว่าเราจะมีน้ำตาลหรือไข่เพิ่มมากเพียงใด เนื่องจากหากไม่มีส่วนผสมนั้น เราจะ ไม่สามารถทำตามสูตรได้

ในกรณีนี้ แป้งเป็นส่วนผสมจำกัด (เข้าใจว่าเป็นรีเอเจนต์จำกัด) เนื่องจากจำกัดจำนวนเค้กสูงสุดที่สามารถผลิตได้ 5 ชิ้น

อย่างไรก็ตาม เค้กทั้ง 5 ชิ้นนี้ที่ผลิตได้จากส่วนผสมที่เรามีจะเป็นตัวแทนของผลผลิตตามทฤษฎี กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในทางทฤษฎี เราสามารถทำเค้กได้ 5 ชิ้น แต่ถ้าเราตอกไข่แตกระหว่างกระบวนการ ทำน้ำตาลหก หรือทำเค้กชิ้นใดชิ้นหนึ่งไหม้ จำนวนเค้กที่เราผลิตได้จริงจะลดลง

ขั้นตอนการคำนวณผลตอบแทนทางทฤษฎี

ในการคำนวณผลผลิตตามทฤษฎี เราต้องเริ่มจากปริมาณของสารทำปฏิกิริยาที่จำกัด เนื่องจากตามที่อธิบายไว้ข้างต้น เมื่อเสร็จสิ้นก่อน สารทำปฏิกิริยานี้จะจำกัดปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่สามารถผลิตได้และสารทำปฏิกิริยาอื่นๆ ที่สามารถใช้ได้

ด้านล่างนี้เป็นวิธีที่ปฏิบัติได้และรวดเร็วในการพิจารณาว่าสารตั้งต้นใดเป็นสารตั้งต้นที่จำกัด และสารตั้งต้นใดเกิน

การกำหนดรีเอเจนต์ที่ จำกัด

มีหลายวิธีในการระบุสารตั้งต้นที่จำกัด วิธีหนึ่งก็เหมือนกับที่เราทำในตัวอย่างวงกลม โดยกำหนดปริมาณผลิตภัณฑ์ที่เราจะได้รับจากสารตั้งต้นแต่ละปริมาณ จากนั้นเลือกสารตั้งต้นที่ก่อให้เกิดปริมาณน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม มีอีกวิธีหนึ่งที่ใช้งานได้จริงและมีกลไกมากกว่าที่จะทำได้

ตามคำนิยามแล้ว สารตั้งต้นที่จำกัดคือสารที่อยู่ในสัดส่วนสโตอิชิโอเมตริกที่ต่ำที่สุด ซึ่งหมายความว่าสิ่งที่เราต้องทำเพื่อระบุสารตั้งต้นที่จำกัดคือกำหนดอัตราส่วนปริมาณสารสัมพันธ์ที่มีสารตั้งต้นทั้งหมด จากนั้นจึงเลือกสารตั้งต้นที่เล็กที่สุด

การหาอัตราส่วนปริมาณสารสัมพันธ์ทำได้ง่ายเพียงแค่คำนวณจำนวนโมลของสารตั้งต้นแต่ละตัวแล้วหารด้วยค่าสัมประสิทธิ์ปริมาณสารสัมพันธ์ของสารตั้งต้นที่สมดุล

ตัวอย่าง

สมมติว่าเหล็ก 20 กรัมทำปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจน 20 กรัมเพื่อผลิตเฟอริกออกไซด์ (Fe ₂ O ₃ ) กำหนดสารตั้งต้นที่ จำกัด ของปฏิกิริยา มวลโมลาร์ของเหล็กคือ 56 ก./โมล ก๊าซออกซิเจนเท่ากับ 32 ก./โมล และของเหล็กออกไซด์คือ 160 ก./โมล

ขั้นตอนแรกคือการเขียนสมการเคมีที่ดุลแล้ว ซึ่งในกรณีนี้คือ:

ตอนนี้ เราคำนวณจำนวนโมลจากมวลจากนั้นจึงคำนวณอัตราส่วนปริมาณสารสัมพันธ์ สามารถจัดไว้ในตารางเพื่อทำให้กระบวนการง่ายขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีรีเอเจนต์จำนวนมาก:

อย่างที่เห็นได้ว่าสารตั้งต้นที่มีสัดส่วนน้อยกว่าในกรณีนี้คือธาตุเหล็ก ดังนั้นมันจึงเป็นสารตั้งต้นที่จำกัด

การคำนวณผลตอบแทนทางทฤษฎี

เมื่อเราทราบว่าสารตั้งต้นจำกัดคืออะไร เราก็สามารถใช้มันเพื่อดำเนินการคำนวณปริมาณสารสัมพันธ์อื่นๆ ทั้งหมดได้ ซึ่งรวมถึงการคำนวณปริมาณของสารตั้งต้นส่วนเกินที่สามารถบริโภคได้จริง ดังนั้น การกำหนดปริมาณของสารตั้งต้นที่จะยังคงอยู่ในส่วนเกิน (ไม่ทำปฏิกิริยา) และแน่นอน การคำนวณปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่จะบริโภคได้ ซึ่งก็คือ ผลตอบแทนทางทฤษฎี

การคำนวณทั้งหมดนี้ดำเนินการโดยใช้ความสัมพันธ์ของปริมาณสารสัมพันธ์ที่แตกต่างกัน ซึ่งสามารถสร้างขึ้นได้ระหว่างรีเอเจนต์ที่จำกัดและสารอื่นๆ แต่ละชนิดที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา

ควรสังเกตว่าหากปฏิกิริยาสร้างผลิตภัณฑ์มากกว่าหนึ่งผลิตภัณฑ์ จะมีผลผลิตสำหรับแต่ละผลิตภัณฑ์ แต่ไม่ใช่สำหรับผลิตภัณฑ์ทั้งหมดโดยรวม

ตัวอย่าง

ต่อจากตัวอย่างที่แล้ว ตอนนี้เราต้องการคำนวณว่าเหล็ก 20 กรัมและก๊าซออกซิเจน 20 กรัมสามารถผลิตเฟอริกออกไซด์ได้เท่าไร (เป็นกรัม)

สิ่งที่ถูกถามคือการกำหนดปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่สามารถผลิตได้จากปริมาณของสารตั้งต้น ดังนั้นสิ่งที่คุณต้องการคำนวณคือผลผลิตทางทฤษฎีของปฏิกิริยา ในตัวอย่างก่อนหน้านี้ เราพิจารณาว่าน้ำยาจำกัดในกรณีนี้คือเหล็ก ดังนั้นปริมาณของเฟอริกออกไซด์จะถูกกำหนดจากมัน ซึ่งหมายความว่าการคำนวณจะเริ่มต้นด้วยปริมาณธาตุเหล็กและสิ้นสุดด้วยปริมาณของเฟอริกออกไซด์ ดังที่แสดงด้านล่าง:

อ้างอิง

• บราวน์ ที. (2564). เคมี: วิทยาศาสตร์กลาง (ฉบับที่ 11) ลอนดอน ประเทศอังกฤษ: เพียร์สัน เอดูเคชั่น.
• Chang, R., Manzo, Á. ร. โลเปซ PS และเฮอร์รานซ์ ZR (2020) เคมี (ฉบับที่ 10) นครนิวยอร์ก รัฐนิวยอร์ก: MCGRAW-HILL
• ดอกไม้, P., Theopold, K., Langley, R., & Robinson, WR (2019c, 14 กุมภาพันธ์) 4.4 อัตราการเกิดปฏิกิริยา – เคมี 2e | OpenStax _ สืบค้นจากhttps://openstax.org/books/chemistry-2e/pages/4-4-reaction-yields
• ปริมาณสารสัมพันธ์ของปฏิกิริยาเคมี (2563, 29 ตุลาคม). สืบค้นเมื่อวันที่ 7 สิงหาคมจากhttps://espanol.libretexts.org/@go/page/1816
• ผลลัพธ์ของปฏิกิริยา (2563, 30 ตุลาคม). สืบค้นเมื่อวันที่ 7 สิงหาคม 2021 จากhttps://espanol.libretexts.org/@go/page/1822