ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ: ИЗ ЧЕГО ОНА СОСТОИТ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ

Теоретический выход химической реакции максимальное количество , которое может быть получено из продукта , предполагая полное превращение реагентов. Когда по кинетическим, термодинамическим или экспериментальным причинам один из реагентов частично реагирует, результирующий выход меньше теоретического.

Эта концепция позволяет сравнить разрыв между химическими реакциями, записанными на бумаге (химические уравнения), и реальностью. Некоторые могут выглядеть очень простыми, но экспериментально сложными и малоурожайными; в то время как другие могут быть обширными, но простыми и эффективными при выполнении.

Источник: Pxhere

Все химические реакции и количества реагентов имеют теоретический выход. Благодаря этому может быть установлена степень эффективности переменных процесса и попаданий; чем выше выход (и чем короче время), тем лучше условия, выбранные для реакции.

Таким образом, для данной реакции можно выбрать температурный диапазон, скорость перемешивания, время и т. Д. И обеспечить оптимальную производительность. Цель таких усилий - приблизить теоретический урожай к фактическому.

Каков теоретический выход?

Теоретический выход представляет собой количество продукта, полученного в результате реакции, предполагающей конверсию 100%; то есть должен быть израсходован весь ограничивающий реагент.

Таким образом, каждый синтез в идеале должен давать экспериментальный или реальный выход, равный 100%. Хотя этого не происходит, существуют реакции с высокими выходами (> 90%).

Он выражается в процентах, и для его расчета необходимо сначала обратиться к химическому уравнению реакции. Из стехиометрии для определенного количества ограничивающего реагента определяется, сколько продукта происходит. После этого количество полученного продукта (фактический выход) сравнивается с определенным теоретическим значением:

% Выхода = (фактический выход / теоретический выход) ∙ 100%

Этот процентный выход позволяет оценить, насколько эффективна реакция в выбранных условиях. Их значения сильно различаются в зависимости от типа реакции. Например, для некоторых реакций выход 50% (половина теоретического выхода) можно считать успешной реакцией.

Но каковы единицы такой производительности? Масса реагентов, то есть их количество в граммах или молях. Следовательно, чтобы определить выход реакции, должны быть известны граммы или моль, которые теоретически могут быть получены.

Сказанное можно пояснить на простом примере.

Примеры

Пример 1

Рассмотрим следующую химическую реакцию:

А + В => С

1gA + 3gB => 4gC

Химическое уравнение имеет только 1 стехиометрический коэффициент для видов A, B и C. Поскольку они являются гипотетическими видами, их молекулярные или атомные массы неизвестны, но доступно массовое соотношение, в котором они реагируют; то есть на каждый грамм A 3 г B реагируют с образованием 4 г C (сохранение массы).

Следовательно, теоретический выход для этой реакции составляет 4 г C, когда 1 г A взаимодействует с 3 г B.

Каким был бы теоретический выход, если бы у нас было 9 г A? Чтобы рассчитать это, просто используйте коэффициент преобразования, который связывает A и C:

(9 г A) ∙ (4 г C / 1 г A) = 36 г C

Обратите внимание, что теперь теоретический выход составляет 36 г C вместо 4 г C, так как реагента A больше.

Два метода: два возврата

Для указанной выше реакции существует два метода получения C. Если предположить, что оба начинаются с 9 г A, каждый имеет свой фактический выход. Классический метод позволяет получить 23 г углерода за 1 час; при использовании современного метода за полчаса можно получить 29 г углерода.

Какая процентная доходность для каждого из методов? Зная, что теоретический выход составляет 36 г C, применяется общая формула:

% выхода (классический метод) = (23 г C / 36 г C) ∙ 100%

63,8%

% выхода (современный метод) = (29 г C / 36 г C) ∙ 100%

80,5%

Логично, что современный метод получения большего количества граммов C из 9 граммов A (плюс 27 граммов B) дает выход 80,5%, что выше, чем выход в 63,8% классического метода.

Какой из двух методов выбрать? На первый взгляд современный метод кажется более жизнеспособным, чем классический; Однако экономический аспект и возможное воздействие на окружающую среду каждого из них имеют значение при принятии решения.

Пример 2

Рассмотрим экзотермическую и многообещающую реакцию как источник энергии:

H ₂ + O ₂ => H ₂ O

Обратите внимание, что, как и в предыдущем примере, стехиометрические коэффициенты H ₂ и O ₂ равны 1. Если у вас есть 70 г H _2, смешанные с 150 г O ₂ , каков будет теоретический выход реакции? Каков выход при получении 10 и 90 г H ₂ O?

Здесь неясно, сколько граммов H ₂ или O ₂ реагирует; следовательно, на этот раз необходимо определить родинки каждого вида:

Количество молей H ₂ = (70g) ∙ (моль Н ₂ / 2g)

35 моль

Количество молей O ₂ = (150 г) ∙ (моль O ₂ / 32g)

4,69 моль

Ограничивающим реагентом является кислород, потому что 1 моль H ₂ реагирует с 1 моль O ₂ ; и поскольку имеется 4,69 моль O ₂ , то 4,69 моль H _{2 будет} реагировать . Точно так же количество молей образовавшейся H ₂ O будет равно 4,69. Следовательно, теоретический выход составляет 4,69 моль или 84,42 г H ₂ O (умножая моль на молекулярную массу воды).

Недостаток кислорода и лишних примесей

Если произведено 10 г H ₂ O, выход будет:

% выхода = (10 г H ₂ O / 84,42 г H ₂ O) ∙ 100%

11,84%

Это мало, потому что огромный объем водорода был смешан с очень небольшим количеством кислорода.

А если, с другой стороны, будет произведено 90 г H ₂ O, то теперь выход будет:

% выхода = (90 г H ₂ O / 84,42 г H ₂ O) ∙ 100%

106,60%

Никакая производительность не может быть выше теоретической, поэтому значение выше 100% является аномалией. Однако это может быть связано со следующими причинами:

- В продукте скопились другие продукты, вызванные побочными или вторичными реакциями.

-Продукт был загрязнен во время или в конце реакции.

В случае реакции в этом примере первая причина маловероятна, поскольку нет другого продукта, кроме воды. Вторая причина, если при таких условиях действительно было получено 90 г воды, указывает на то, что были внесены другие газообразные соединения (такие как CO ₂ и N ₂ ), которые были ошибочно взвешены вместе с водой.

Ссылки

Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр.97.
Helmenstine, Тодд. (2018, 15 февраля). Как рассчитать теоретический выход химической реакции. Получено с: thinkco.com
Чие К. (13 июня 2017 г.). Теоретическая и фактическая урожайность. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
Ханская академия. (2018). Ограничение реагентов и процентного выхода. Получено с: khanacademy.org
Вводная химия. (SF). Урожайность. Получено с: saylordotorg.github.io
Вводный курс общей химии. (SF). Ограничение реагента и производительности. Университет Вальядолида. Получено с: eis.uva.es

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ: ИЗ ЧЕГО ОНА СОСТОИТ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2026