Rajoittava reagenssi ja saantoprosentti selitettynä

Miksi mooli eikä gramma ratkaisee, mikä lähtöaine kuluu loppuun

Tasapainotettu yhtälö laskee hiukkasia. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O tarkoittaa, että kaksi vetymolekyyliä reagoi yhden happimolekyylin kanssa, eli 2 mol 1 molin kanssa. Se ei kerro suoraan mitään grammoista, koska eri aineilla on eri moolimassat. Kahden lähtöaineen massojen vertaaminen ei siis kerro, kumpi kuluu ensin loppuun.

Kertoimista saatu moolisuhde toimii kuin aineiden välinen vaihtokurssi. Käyttääksesi sitä muunna jokainen annettu massa tai tilavuus ensin moleiksi, sovella suhdetta ja muunna takaisin grammoiksi vain, jos kysymys vaatii massaa.

Keittiövertaus havainnollistaa ajatusta. Jos jokainen voileipä tarvitsee 2 leipäviipaletta ja 1 juustoviipaleen, 10 leipäviipaleesta ja 7 juustoviipaleesta saa vain 5 voileipää. Leipä rajoittaa tuotosta, vaikka sitä on enemmän viipaleita, koska resepti kuluttaa leipää kaksi kertaa nopeammin.

Kaksi luotettavaa testiä rajoittavalle reagenssille

Vertaa tuotemääriä. Laske jokaiselle lähtöaineelle, kuinka paljon tuotetta se voisi muodostaa, jos kaikkea muuta olisi rajattomasti. Lähtöaine, joka antaa pienimmän tuotemäärän, on rajoittava, ja tuo pienin määrä on teoreettinen saanto. Tämä testi vastaa samalla yleisimpään jatkokysymykseen.

Vertaa tarvittavaa ja käytettävissä olevaa. Valitse yksi lähtöaine, laske, kuinka paljon toista lähtöainetta se tarvitsisi, ja vertaa läsnä olevaan määrään. Jos läsnä on vähemmän kuin tarvitaan, toinen lähtöaine on rajoittava; muuten ensimmäinen on. Vastaava oikotie jakaa jokaisen lähtöaineen ainemäärän moleina sen kertoimella; pienin osamäärä osoittaa rajoittavan reagenssin.

Molemmat testit vaativat tasapainotetun yhtälön ja ainemäärät moleina. Kun lähtöaineita on kolme tai useampia, tuotemäärätesti tai kertoimella jakamisen oikotie on vähemmän virhealtis kuin lähtöaineiden vertaaminen pareittain.

Läpikäyty esimerkki: kuparilanka hopeanitraattiliuoksessa

Kupari syrjäyttää hopean hopeanitraatista: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). 3.00 g kuparilankaa pannaan liuokseen, joka sisältää 8.50 g AgNO₃:a. Mikä lähtöaine on rajoittava, kuinka suuri massa hopeaa voi muodostua ja kuinka paljon kuparia jää jäljelle? Moolimassoissa käytetään kahteen desimaaliin pyöristettyjä IUPAC:n standardiatomipainoja (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), joten AgNO₃ on 169.88 g/mol.

Muunna moleiksi ylimääräiset numerot säilyttäen: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu ja 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Kupari tarvitsisi 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃:a, mutta läsnä on vain 0.050035 mol, joten AgNO₃ on rajoittava, vaikka sen massa on lähes kolminkertainen kuparin massaan verrattuna.

Hopean teoreettinen saanto: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, ilmoitettuna 5.40 g. Jos laskelma perustuisi kupariin, hopeaa ennustettaisiin syntyvän 10.18 g, mutta se ei voi muodostua, koska hopeanitraatti kuluu ensin loppuun.

Kuparin ylimäärä: AgNO₃ kuluttaa 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, eli 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Jäljelle jäävä kupari = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, ilmoitettuna sadasosien tarkkuudella, koska 3.00 g tunnetaan sadasosien tarkkuudella. Massa säilyy: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, mikä on yhtä suuri kuin alun 3.00 g + 8.50 g.

Teoreettinen saanto, todellinen saanto ja saantoprosentti

Teoreettinen saanto on suurin tuotemäärä, jonka rajoittava reagenssi voi muodostaa, kun oletetaan reaktion etenevän kirjoitetulla tavalla loppuun asti ilman sivureaktioita ja ilman häviöitä. Todellinen saanto on eristämäsi ja mittaamasi määrä. Saantoprosentti = (todellinen saanto ÷ teoreettinen saanto) × 100%.

Alle 100%:n saannot ovat tavallisia. Reaktio voi saavuttaa tasapainon ennen kuin rajoittava reagenssi on kulunut loppuun, sivureaktiot voivat kuluttaa lähtöaineita, ja tuotetta häviää suodatuksessa, siirroissa, pesussa tai uudelleenkiteytyksessä. Yli 100%:n saanto oletetusti puhtaalle tuotteelle tarkoittaa yleensä, että se sisältää vielä liuotinta tai epäpuhtauksia tai että massa on kirjattu väärin. Pidä sitä merkkinä kuivata ja punnita uudelleen, älä tuloksena.

Molempien saantojen täytyy kuvata samaa ainetta samoissa yksiköissä. Jos teoreettinen saanto on moleina, muunna todellinen saanto myös moleiksi tai ilmaise molemmat grammoina.

Läpikäyty esimerkki: esterisynteesin saantoprosentti

Isopentyyliasetaatti, banaanimaisesti tuoksuva esteri, muodostuu etikkahaposta ja isopentyylialkoholista (3-metyyli-1-butanoli): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. 6.00 g etikkahappoa ja 7.50 g isopentyylialkoholia sisältävä seos antaa 8.12 g puhdistettua esteriä. Mikä on saantoprosentti?

Moolimassat (C 12.01, H 1.01, O 16.00): etikkahappo 60.06 g/mol, isopentyylialkoholi 88.17 g/mol, esteri 130.21 g/mol. Ainemäärät: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol happoa ja 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol alkoholia. Suhde on 1:1, joten alkoholi on rajoittava ja 0.01484 mol happoa on ylimäärä. Yhden lähtöaineen käyttö ylimäärin on yleinen tapa työntää tämänkaltaista tasapainon rajoittamaa reaktiota kohti tuotetta.

Teoreettinen saanto = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Saantoprosentti = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, kolme merkitsevää numeroa lukujen 8.12 g ja 7.50 g mukaan. Jos teoreettinen saanto pyöristettäisiin arvoon 11.1 g ennen jakamista, saataisiin 73.2%, joten käytä pyöristämätöntä arvoa jatkossa.

Saantoprosentti toimii myös taaksepäin. Jotta saisit 5.00 g esteriä samalla 73.3%:n saannolla, tarvitset teoreettisen saannon 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, mikä on 0.0524 mol esteriä. Se vaatii vähintään 0.0524 mol, eli 4.62 g, isopentyylialkoholia ja hapon ylimäärän.

Saannon ja ylimääräisen lähtöaineen virheet, joita kannattaa tarkistaa

Useimmat virheet näissä tehtävissä ovat asetteluvirheitä eivätkä laskuvirheitä, joten jokaiselle on tarkistus, joka ei vaadi koko laskun tekemistä uudelleen.

Varmista valmistuttuasi kolme asiaa: rajoittava reagenssi valittiin molien perusteella, teoreettinen saanto laskettiin siitä lähtöaineesta ja saantoprosentti on enintään 100%.

• Rajoittavan reagenssin valitseminen massoja vertaamalla. Kuparia koskevassa esimerkissä suuremman massan omaava lähtöaine oli rajoittava.
• Ainemäärien vertaaminen moleina ilman kertoimia. Jaa jokainen ainemäärä kertoimellaan tai laske tuote jokaisesta lähtöaineesta.
• Teoreettisen saannon laskeminen ylimääräisestä lähtöaineesta. Teoreettinen saanto on aina pienin mahdollisista tuotemääristä.
• Jäljelle jäävän ylimäärän laskeminen vähentämällä yhden aineen massa toisen aineen massasta. Laske, kuinka paljon ylimääräistä lähtöainetta kuluu, sen omissa yksiköissä, ja vähennä se läsnä olevasta saman aineen määrästä.
• Todellisen ja teoreettisen saannon vaihtaminen keskenään kaavassa. Yli 100%:n saantoprosentti kuivalle, puhtaalle tuotteelle tarkoittaa, että jokin on pielessä.
• Välitulosten pyöristäminen. Laske viimeinen vaihe uudelleen pyöristämättömillä luvuilla ja katso, muuttuvatko ilmoitetut numerot.