A limitáló reaktáns és a százalékos hozam magyarázata

Miért a mólok, és nem a grammok döntik el, melyik reaktáns fogy el

A kiegyenlített egyenlet részecskéket számlál. A 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O azt jelenti, hogy két hidrogénmolekula reagál egy oxigénmolekulával, vagyis 2 mol 1 mol-lal. Közvetlenül semmit sem mond a grammokról, mert a különböző anyagok moláris tömege eltérő. Két reaktáns tömegének összehasonlítása ezért nem mondja meg, melyik fogy el előbb.

Az együtthatókból adódó mólarány úgy működik, mint az anyagok közötti árfolyam. A használatához először váltsa át mólra az egyes megadott tömegeket vagy térfogatokat, alkalmazza az arányt, és csak akkor váltson vissza grammra, ha a kérdés tömeget kér.

Egy konyhai hasonlat megvilágítja az elvet. Ha minden szendvicshez 2 szelet kenyér és 1 szelet sajt kell, akkor 10 szelet kenyérből és 7 szelet sajtból csak 5 szendvics lesz. A kenyér korlátozza a mennyiséget, noha abból van több szelet, mert a recept kétszer olyan gyorsan használja a kenyeret.

Két megbízható teszt a limitáló reaktánsra

Hasonlítsa össze a termékmennyiségeket. Minden reaktánsra számítsa ki, mennyi terméket tudna képezni, ha minden más korlátlan lenne. Az a reaktáns a limitáló, amely a legkisebb termékmennyiséget adja, és ez a legkisebb mennyiség az elméleti hozam. Ez a teszt egyúttal megválaszolja a leggyakoribb követő kérdést.

Hasonlítsa össze a szükségeset a rendelkezésre állóval. Válasszon egy reaktánst, számítsa ki, mennyi kellene belőle egy másodikhoz, és vesse össze azzal, ami jelen van. Ha kevesebb van jelen, mint amennyi kell, a második reaktáns a limitáló; egyébként az első. Egy egyenértékű rövidítés az egyes reaktánsok mólban megadott mennyiségét osztja az együtthatójával; a legkisebb hányados jelöli ki a limitáló reaktánst.

Mindkét teszthez kiegyenlített egyenlet és mólban megadott mennyiségek kellenek. Három vagy több reaktánsnál a termékmennyiség-teszt vagy az együtthatóval osztás rövidítése kevésbé hibaérzékeny, mint a reaktánsok páronkénti összehasonlítása.

Megoldott példa: rézdrót ezüst-nitrát-oldatban

A réz kiszorítja az ezüstöt az ezüst-nitrátból: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Egy 3.00 g-os rézdrótdarabot 8.50 g AgNO₃-ot tartalmazó oldatba helyeznek. Melyik reaktáns a limitáló, mekkora tömegű ezüst keletkezhet, és mennyi réz marad meg? A moláris tömegekhez a két tizedesjegyre kerekített IUPAC standard atomtömegeket használjuk (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), így az AgNO₃ 169.88 g/mol.

Váltson át mólra, a többletjegyeket megtartva: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu, és 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. A rézhez 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃ kellene, de csak 0.050035 mol van jelen, így az AgNO₃ a limitáló, noha a tömege majdnem háromszorosa a rézének.

Az ezüst elméleti hozama: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, amelyet 5.40 g-ként adunk meg. Ha a számítást a rézre alapoznánk, 10.18 g ezüstöt jósolna, amely nem keletkezhet, mert az ezüst-nitrát előbb elfogy.

Felesleges réz: az AgNO₃ 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu-t fogyaszt, vagyis 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g-ot. A megmaradó réz = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, századokig megadva, mert a 3.00 g századokig ismert. A tömeg megmarad: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, ami egyenlő a kezdeti 3.00 g + 8.50 g-mal.

Elméleti, tényleges és százalékos hozam

Az elméleti hozam az a legnagyobb termékmennyiség, amelyet a limitáló reaktáns képezhet, feltéve, hogy a reakció a felírás szerint teljesen végbemegy, mellékreakciók és veszteségek nélkül. A tényleges hozam az a mennyiség, amelyet izolál és megmér. Százalékos hozam = (tényleges hozam ÷ elméleti hozam) × 100%.

A 100% alatti hozamok normálisak. A reakció egyensúlyt érhet el, mielőtt a limitáló reaktáns elfogyna, a mellékreakciók felemészthetik a reaktánsokat, és a termék elvész a szűrés, az átvitel, a mosás vagy az átkristályosítás során. Egy állítólag tiszta termék 100% feletti hozama általában azt jelenti, hogy még oldószert vagy szennyeződést tartalmaz, vagy hogy egy tömeget helytelenül jegyeztek fel. Kezelje jelzésként, hogy szárítson és mérjen újra, ne eredményként.

Mindkét hozamnak ugyanazt az anyagot kell leírnia, ugyanabban a mértékegységben. Ha az elméleti hozam mólban van, a tényleges hozamot is váltsa át mólra, vagy fejezze ki mindkettőt grammban.

Megoldott példa: egy észterszintézis százalékos hozama

Az izopentil-acetát, egy banánszerű illatú észter, ecetsavból és izopentil-alkoholból (3-metil-1-butanol) keletkezik: C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. 6.00 g ecetsav és 7.50 g izopentil-alkohol keveréke 8.12 g tisztított észtert ad. Mekkora a százalékos hozam?

Moláris tömegek (C 12.01, H 1.01, O 16.00): ecetsav 60.06 g/mol, izopentil-alkohol 88.17 g/mol, észter 130.21 g/mol. Mennyiségek: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol sav és 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol alkohol. Az arány 1:1, így az alkohol a limitáló, és 0.01484 mol sav van feleslegben. Az egyik reaktáns feleslegben használata gyakori módja annak, hogy egy hasonló, egyensúly által korlátozott reakciót a termék irányába tolják.

Elméleti hozam = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Százalékos hozam = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, három értékes jegy a 8.12 g-ból és a 7.50 g-ból. Ha az elméleti hozamot az osztás előtt 11.1 g-ra kerekítené, 73.2%-ot kapna, ezért a kerekítetlen értéket vigye tovább.

A százalékos hozam visszafelé is működik. 5.00 g észter összegyűjtéséhez ugyanennél a 73.3%-os hozamnál 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g elméleti hozam kell, ami 0.0524 mol észter. Ehhez legalább 0.0524 mol, vagyis 4.62 g izopentil-alkohol szükséges, a savat feleslegben tartva.

A hozam- és feleslegesreaktáns-hibák, amelyeket ellenőrizni kell

Ezekben a feladatokban a legtöbb hiba felállítási hiba, nem számolási, ezért mindegyikhez van olyan ellenőrzés, amely nem igényli a teljes számítás újracsinálását.

Befejezés után erősítsen meg három dolgot: a limitáló reaktánst mólokból választotta ki, az elméleti hozam abból a reaktánsból származik, és a százalékos hozam legfeljebb 100%.

• A limitáló reaktáns kiválasztása a tömegek összehasonlításával. A rézpéldában a nagyobb tömegű reaktáns volt a limitáló.
• A mólban megadott mennyiségek összehasonlítása az együtthatók nélkül. Osszon minden mennyiséget az együtthatójával, vagy számítsa ki a terméket az egyes reaktánsokból.
• Az elméleti hozam kiszámítása a felesleges reaktánsból. Az elméleti hozam mindig a lehetséges termékmennyiségek közül a kisebbik.
• A megmaradó felesleg meghatározása az egyik anyag tömegének a másik anyag tömegéből való kivonásával. Számítsa ki, mennyi fogy el a felesleges reaktánsból a saját mértékegységében, és vonja ki ezt az ugyanabból az anyagból jelen lévő mennyiségből.
• A tényleges és az elméleti hozam felcserélése a képletben. A száraz, tiszta termék 100% feletti százalékos hozama azt jelenti, hogy valami nincs rendben.
• A közbenső értékek kerekítése. Számolja újra az utolsó lépést kerekítetlen számokkal, és nézze meg, megváltoznak-e a közölt jegyek.