Ograničavajući reaktant i procentni prinos objašnjeni

Zašto molovi, a ne grami, odlučuju koji se reaktant prvi potroši

Izjednačena jednačina broji čestice. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O znači da dvije molekule vodika reagiraju s jednom molekulom kisika, ili 2 mol s 1 mol. Ne govori ništa direktno o gramima, jer različite tvari imaju različite molarne mase. Poređenje masa dvaju reaktanata stoga ne može reći koji se prvi potroši.

Molni omjer iz koeficijenata radi poput kursa razmjene među tvarima. Da biste ga upotrijebili, prvo pretvorite svaku zadanu masu ili zapreminu u molove, primijenite omjer i vratite u grame samo ako pitanje traži masu.

Kuhinjska analogija pokazuje ideju. Ako svaki sendvič traži 2 kriške kruha i 1 krišku sira, onda 10 kriški kruha i 7 kriški sira daju samo 5 sendviča. Kruh ograničava proizvodnju iako ga ima više kriški, jer recept troši kruh dvostruko brže.

Dva pouzdana testa za ograničavajući reaktant

Uporedite količine produkta. Za svaki reaktant izračunajte koliko bi produkta mogao dati da je sve ostalo neograničeno. Reaktant koji daje najmanju količinu produkta je ograničavajući, a ta najmanja količina je teorijski prinos. Ovaj test istovremeno odgovara na najčešće naredno pitanje.

Uporedite potrebno s raspoloživim. Odaberite jedan reaktant, izračunajte koliko bi drugog reaktanta trebao i uporedite s onim što je prisutno. Ako je prisutno manje nego što je potrebno, drugi reaktant je ograničavajući; u suprotnom je prvi. Ekvivalentna prečica dijeli količinu svakog reaktanta u molovima njegovim koeficijentom; najmanji količnik označava ograničavajući reaktant.

Oba testa trebaju izjednačenu jednačinu i količine u molovima. S tri ili više reaktanata, test količine produkta ili prečica dijeljenja koeficijentom manje je sklona greškama od poređenja reaktanata u parovima.

Riješeni primjer: bakarna žica u rastvoru srebro-nitrata

Bakar istiskuje srebro iz srebro-nitrata: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Komad bakarne žice od 3.00 g stavlja se u rastvor koji sadrži 8.50 g AgNO₃. Koji je reaktant ograničavajući, koja masa srebra može nastati i koliko bakra ostaje? Molarne mase koriste IUPAC standardne atomske mase zaokružene na dvije decimale (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), pa je AgNO₃ 169.88 g/mol.

Pretvorite u molove noseći dodatne cifre: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu, i 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Bakru bi trebalo 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, ali je prisutno samo 0.050035 mol, pa je AgNO₃ ograničavajući, iako je njegova masa gotovo tri puta veća od mase bakra.

Teorijski prinos srebra: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, navedeno kao 5.40 g. Zasnivanje proračuna na bakru predviđalo bi 10.18 g srebra, što ne može nastati jer se srebro-nitrat prvi potroši.

Višak bakra: AgNO₃ troši 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, odnosno 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Preostali bakar = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, navedeno na stotinke jer je 3.00 g poznato na stotinke. Masa se održava: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, što je jednako 3.00 g + 8.50 g na početku.

Teorijski, stvarni i procentni prinos

Teorijski prinos je najveća količina produkta koju ograničavajući reaktant može dati, uz pretpostavku da reakcija ide do kraja kako je napisana, bez sporednih reakcija i gubitaka. Stvarni prinos je količina koju izdvojite i izmjerite. Procentni prinos = (stvarni prinos ÷ teorijski prinos) × 100%.

Prinosi ispod 100% su uobičajeni. Reakcija može dostići ravnotežu prije nego se ograničavajući reaktant potroši, sporedne reakcije mogu trošiti reaktante, a produkt se gubi pri filtriranju, prenošenju, pranju ili prekristalizaciji. Prinos iznad 100% za navodno čist produkt obično znači da još sadrži otapalo ili nečistoće ili da je masa pogrešno zabilježena. Tretirajte to kao signal da osušite i ponovo izvažete, a ne kao rezultat.

Oba prinosa moraju opisivati istu tvar u istim jedinicama. Ako je teorijski prinos u molovima, pretvorite i stvarni prinos u molove, ili izrazite oba u gramima.

Riješeni primjer: procentni prinos sinteze estera

Izopentil-acetat, ester mirisa nalik na banane, nastaje iz octene kiseline i izopentil-alkohola (3-metil-1-butanola): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. Smjesa od 6.00 g octene kiseline i 7.50 g izopentil-alkohola daje 8.12 g pročišćenog estera. Koliki je procentni prinos?

Molarne mase (C 12.01, H 1.01, O 16.00): octena kiselina 60.06 g/mol, izopentil-alkohol 88.17 g/mol, ester 130.21 g/mol. Količine: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol kiseline i 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol alkohola. Omjer je 1:1, pa je alkohol ograničavajući, a 0.01484 mol kiseline je u višku. Upotreba jednog reaktanta u višku čest je način da se reakcija ograničena ravnotežom, poput ove, potisne prema produktu.

Teorijski prinos = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Procentni prinos = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, tri značajne cifre iz 8.12 g i 7.50 g. Zaokruživanje teorijskog prinosa na 11.1 g prije dijeljenja dalo bi 73.2%, pa nosite nezaokruženu vrijednost naprijed.

Procentni prinos radi i unazad. Da biste prikupili 5.00 g estera pri istom prinosu od 73.3%, potreban vam je teorijski prinos od 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, što je 0.0524 mol estera. To zahtijeva najmanje 0.0524 mol, odnosno 4.62 g izopentil-alkohola, uz kiselinu u višku.

Greške u prinosu i višku reaktanta koje treba provjeriti

Većina grešaka u ovim zadacima su greške postavke, a ne računanja, pa za svaku postoji provjera koja ne zahtijeva ponovno računanje cijelog zadatka.

Nakon završetka potvrdite tri stvari: ograničavajući reaktant odabran je prema molovima, teorijski prinos potiče od tog reaktanta, a procentni prinos iznosi 100% ili manje.

• Biranje ograničavajućeg reaktanta poređenjem masa. U primjeru s bakrom ograničavajući je bio reaktant veće mase.
• Poređenje količina u molovima bez koeficijenata. Podijelite svaku količinu njenim koeficijentom ili izračunajte produkt iz svakog reaktanta.
• Računanje teorijskog prinosa iz reaktanta u višku. Teorijski prinos je uvijek najmanja od mogućih količina produkta.
• Određivanje preostalog viška oduzimanjem mase jedne tvari od mase druge. Izračunajte koliko je reaktanta u višku potrošeno, u njegovim vlastitim jedinicama, i oduzmite to od količine iste tvari koja je bila prisutna.
• Zamjena stvarnog i teorijskog prinosa u formuli. Procentni prinos iznad 100% za suh, čist produkt znači da nešto nije u redu.
• Zaokruživanje međuvrijednosti. Ponovite posljednji korak s nezaokruženim brojevima i provjerite mijenjaju li se navedene cifre.