Limitirajući reaktant i postotni prinos objašnjeni

Zašto molovi, a ne grami, određuju koji se reaktant potroši

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

Omjer molova iz koeficijenata djeluje kao tečaj razmjene među tvarima. Da biste ga upotrijebili, prvo pretvorite svaku zadanu masu ili volumen u molove, primijenite omjer i pretvorite natrag u grame samo ako zadatak traži masu.

Kuhinjska analogija pokazuje ideju. Ako svaki sendvič treba 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 ga recept troši dvostruko brže.

Dva pouzdana testa za limitirajući reaktant

Usporedite množine produkta. Za svaki reaktant izračunajte koliko bi produkta mogao stvoriti kad bi sve ostalo bilo neograničeno. Reaktant koji daje najmanju množinu produkta jest limitirajući, a ta najmanja množina je teorijski prinos. Ovaj test istodobno odgovara na najčešće sljedeće pitanje.

Usporedite potrebno s raspoloživim. Odaberite jedan reaktant, izračunajte koliko bi drugog reaktanta trebao i usporedite s onim što je prisutno. Ako je prisutno manje nego što je potrebno, drugi je reaktant limitirajući; inače je prvi. Ekvivalentan prečac dijeli množinu svakog reaktanta u molovima njegovim koeficijentom; najmanji količnik označava limitirajući reaktant.

Oba testa trebaju izjednačenu jednadžbu i množine u molovima. Kad su tri ili više reaktanata, test množine produkta ili prečac dijeljenja koeficijentom manje je podložan pogreškama od uspoređivanja reaktanata u parovima.

Riješeni primjer: bakrena žica u otopini srebrova nitrata

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

Pretvorite u molove noseći dodatne znamenke: 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 limitirajući, 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. Izračun zasnovan na bakru predvidio bi 10.18 g srebra, što ne može nastati jer se srebrov 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 čuva: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, jednako 3.00 g + 8.50 g na početku.

Teorijski, stvarni i postotni prinos

Teorijski prinos najveća je količina produkta koju limitirajući reaktant može stvoriti, uz pretpostavku da reakcija teče do kraja kako je napisana, bez sporednih reakcija i gubitaka. Stvarni prinos je količina koju izolirate i izmjerite. Postotni prinos = (stvarni prinos ÷ teorijski prinos) × 100%.

Prinosi ispod 100% uobičajeni su. Reakcija može dosegnuti ravnotežu prije nego se limitirajući reaktant potroši, sporedne reakcije mogu trošiti reaktante, a produkt se gubi pri filtriranju, prijenosu, ispiranju ili prekristalizaciji. Prinos iznad 100% za navodno čist produkt obično znači da još sadrži otapalo ili nečistoće ili da je masa krivo zabilježena. Smatrajte to znakom da treba osušiti i ponovno vagati, a ne rezultatom.

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

Riješeni primjer: postotni prinos sinteze estera

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

Molarne mase (C 12.01, H 1.01, O 16.00): octena kiselina 60.06 g/mol, izopentilni alkohol 88.17 g/mol, ester 130.21 g/mol. Množine: 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 limitirajući, a 0.01484 mol kiseline je u suvišku. Upotreba jednog reaktanta u suvišku čest je način da se ravnotežom ograničena reakcija poput ove potisne prema produktu.

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

Postotni prinos radi i unatrag. Da biste prikupili 5.00 g estera pri istom prinosu od 73.3%, trebate 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, izopentilnog alkohola, uz kiselinu u suvišku.

Pogreške s prinosom i suviškom reaktanta koje treba provjeriti

Većina pogrešaka u ovim zadacima su pogreške postavke, a ne računanja, pa za svaku postoji provjera koja ne zahtijeva ponovno izvođenje cijelog izračuna.

Nakon završetka potvrdite tri stvari: limitirajući reaktant odabran je iz molova, teorijski prinos izračunan je iz tog reaktanta, a postotni prinos je 100% ili manje.

• Odabir limitirajućeg reaktanta usporedbom masa. U primjeru s bakrom limitirajući je bio reaktant veće mase.
• Usporedba množina u molovima bez koeficijenata. Podijelite svaku množinu njezinim koeficijentom ili izračunajte produkt iz svakog reaktanta.
• Izračun teorijskog prinosa iz reaktanta u suvišku. Teorijski prinos uvijek je manja od mogućih množina produkta.
• Određivanje preostalog viška oduzimanjem mase jedne tvari od mase druge. Izračunajte koliko je reaktanta u suvišku potrošeno, u njegovim vlastitim jedinicama, i oduzmite to od količine iste tvari koja je bila prisutna.
• Zamjena stvarnog i teorijskog prinosa u formuli. Postotni prinos iznad 100% za suh, čist produkt znači da nešto nije u redu.
• Zaokruživanje međuvrijednosti. Ponovite zadnji korak s nezaokruženim brojevima i pogledajte mijenjaju li se navedene znamenke.