Limitējošais reaģents un iznākums procentos: skaidrojums

Kāpēc to, kurš reaģents beidzas, nosaka moli, nevis grami

Izlīdzināts vienādojums skaita daļiņas. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O nozīmē, ka divas ūdeņraža molekulas reaģē ar vienu skābekļa molekulu, jeb 2 mol ar 1 mol. Tas tieši neko nesaka par gramiem, jo dažādām vielām ir dažādas molārās masas. Tāpēc, salīdzinot divu reaģentu masas, nevar noteikt, kurš beigsies pirmais.

Molu attiecība no koeficientiem darbojas kā maiņas kurss starp vielām. Lai to izmantotu, vispirms pārrēķiniet katru doto masu vai tilpumu molos, piemērojiet attiecību un pārrēķiniet atpakaļ gramos tikai tad, ja jautājums prasa masu.

Idejas ilustrē virtuves analoģija. Ja katrai sviestmaizei vajag 2 maizes šķēles un 1 siera šķēli, tad no 10 maizes šķēlēm un 7 siera šķēlēm var pagatavot tikai 5 sviestmaizes. Maize ierobežo rezultātu, kaut gan tās šķēļu ir vairāk, jo recepte maizi patērē divreiz ātrāk.

Divas uzticamas limitējošā reaģenta pārbaudes

Salīdziniet produkta daudzumus. Katram reaģentam aprēķiniet, cik daudz produkta tas varētu veidot, ja viss pārējais būtu neierobežots. Reaģents, kas dod vismazāko produkta daudzumu, ir limitējošais, un šis mazākais daudzums ir teorētiskais iznākums. Šī pārbaude vienlaikus atbild uz visbiežāko turpmāko jautājumu.

Salīdziniet nepieciešamo ar pieejamo. Izvēlieties vienu reaģentu, aprēķiniet, cik daudz otra reaģenta tam vajadzētu, un salīdziniet ar to, kas ir klāt. Ja ir mazāk, nekā vajadzīgs, otrais reaģents ir limitējošais; pretējā gadījumā tas ir pirmais. Līdzvērtīgs īsceļš ir katra reaģenta daudzumu molos dalīt ar tā koeficientu; mazākais dalījums norāda limitējošo reaģentu.

Abām pārbaudēm vajadzīgs izlīdzināts vienādojums un daudzumi molos. Ja reaģentu ir trīs vai vairāk, produkta daudzuma pārbaude vai īsceļš ar dalīšanu ar koeficientu rada mazāk kļūdu nekā reaģentu salīdzināšana pa pāriem.

Risināts piemērs: vara stieple sudraba nitrāta šķīdumā

Varš izspiež sudrabu no sudraba nitrāta: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). 3.00 g vara stieples gabals tiek ievietots šķīdumā, kas satur 8.50 g AgNO₃. Kurš reaģents ir limitējošais, kāda sudraba masa var izveidoties un cik daudz vara paliek? Molārajām masām izmantoti IUPAC standarta atomsvari, noapaļoti līdz divām decimālzīmēm (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), tāpēc AgNO₃ ir 169.88 g/mol.

Pārrēķiniet molos, saglabājot papildu ciparus: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu un 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Varam būtu vajadzīgi 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, bet ir tikai 0.050035 mol, tāpēc AgNO₃ ir limitējošais, lai gan tā masa ir gandrīz trīsreiz lielāka par vara masu.

Sudraba teorētiskais iznākums: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, norādīts kā 5.40 g. Ja aprēķinu balstītu uz varu, tiktu paredzēti 10.18 g sudraba, kas nevar izveidoties, jo sudraba nitrāts beidzas pirmais.

Vara pārpalikums: AgNO₃ patērē 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu jeb 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Atlikušais varš = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, norādīts ar simtdaļām, jo 3.00 g ir zināmi ar simtdaļām. Masa tiek saglabāta: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, kas vienāds ar 3.00 g + 8.50 g sākumā.

Teorētiskais, faktiskais un iznākums procentos

Teorētiskais iznākums ir maksimālais produkta daudzums, ko var izveidot limitējošais reaģents, pieņemot, ka reakcija noris līdz galam, kā uzrakstīts, bez blakusreakcijām un zudumiem. Faktiskais iznākums ir daudzums, ko jūs izdalāt un izmērāt. Iznākums procentos = (faktiskais iznākums ÷ teorētiskais iznākums) × 100%.

Iznākumi, kas zemāki par 100%, ir normāli. Reakcija var sasniegt līdzsvaru, pirms limitējošais reaģents ir izlietots, blakusreakcijas var patērēt reaģentus, un produkts zūd filtrēšanas, pārliešanas, mazgāšanas vai pārkristalizācijas laikā. Iznākums virs 100% it kā tīram produktam parasti nozīmē, ka tas joprojām satur šķīdinātāju vai piemaisījumus vai ka masa ir pierakstīta nepareizi. Uzskatiet to par signālu nožāvēt un nosvērt vēlreiz, nevis par rezultātu.

Abiem iznākumiem jāapraksta viena un tā pati viela tajās pašās vienībās. Ja teorētiskais iznākums ir molos, arī faktisko iznākumu pārrēķiniet molos vai izsakiet abus gramos.

Risināts piemērs: estera sintēzes iznākums procentos

Izopentilacetāts, esteris ar banānu smaržu, veidojas no etiķskābes un izopentilspirta (3-metilbutān-1-ola): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. No 6.00 g etiķskābes un 7.50 g izopentilspirta maisījuma iegūst 8.12 g attīrīta estera. Kāds ir iznākums procentos?

Molārās masas (C 12.01, H 1.01, O 16.00): etiķskābe 60.06 g/mol, izopentilspirts 88.17 g/mol, esteris 130.21 g/mol. Daudzumi: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol skābes un 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol spirta. Attiecība ir 1:1, tāpēc spirts ir limitējošais un 0.01484 mol skābes ir pārpalikumā. Viena reaģenta izmantošana pārpalikumā ir izplatīts veids, kā tādu līdzsvara ierobežotu reakciju kā šī virzīt uz produkta pusi.

Teorētiskais iznākums = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Iznākums procentos = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, trīs nozīmīgie cipari no 8.12 g un 7.50 g. Noapaļojot teorētisko iznākumu līdz 11.1 g pirms dalīšanas, iegūtu 73.2%, tāpēc tālāk nesiet nenoapaļoto vērtību.

Iznākums procentos darbojas arī pretējā virzienā. Lai savāktu 5.00 g estera ar to pašu 73.3% iznākumu, vajadzīgs teorētiskais iznākums 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, kas ir 0.0524 mol estera. Tam vajadzīgs vismaz 0.0524 mol jeb 4.62 g izopentilspirta, ar skābi pārpalikumā.

Iznākuma un pārpalikuma kļūdas, ko pārbaudīt

Lielākā daļa kļūdu šajos uzdevumos ir uzstādījuma, nevis aritmētikas kļūdas, tāpēc katrai ir pārbaude, kurai nav jāpārrēķina viss aprēķins.

Pēc pabeigšanas apstipriniet trīs lietas: limitējošais reaģents izvēlēts pēc moliem, teorētiskais iznākums iegūts no šī reaģenta, un iznākums procentos ir 100% vai mazāks.

• Limitējošā reaģenta izvēle, salīdzinot masas. Vara piemērā limitējošais bija reaģents ar lielāko masu.
• Daudzumu molos salīdzināšana bez koeficientiem. Daliet katru daudzumu ar tā koeficientu vai aprēķiniet produktu no katra reaģenta.
• Teorētiskā iznākuma aprēķināšana no pārpalikuma reaģenta. Teorētiskais iznākums vienmēr ir mazākais no iespējamiem produkta daudzumiem.
• Pārpalikuma atrašana, atņemot vienas vielas masu no citas vielas masas. Aprēķiniet, cik daudz pārpalikuma reaģenta tiek patērēts, tā paša vienībās, un atņemiet to no tās pašas vielas daudzuma, kas ir klāt.
• Faktiskā un teorētiskā iznākuma sapludināšana formulā. Iznākums procentos virs 100% sausam, tīram produktam nozīmē, ka kaut kas nav kārtībā.
• Starprezultātu noapaļošana. Pārrēķiniet pēdējo soli ar nenoapaļotiem skaitļiem un paskatieties, vai norādītie cipari mainās.