Bahan Tindak Balas Pengehad dan Peratus Hasil Diterangkan

Mengapa mol, bukan gram, menentukan bahan tindak balas yang habis

Persamaan seimbang mengira zarah. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O bermaksud dua molekul hidrogen bertindak balas dengan satu molekul oksigen, atau 2 mol dengan 1 mol. Ia tidak menyatakan apa-apa secara langsung tentang gram, kerana bahan berbeza mempunyai jisim molar yang berbeza. Oleh itu, membandingkan jisim dua bahan tindak balas tidak dapat memberitahu anda yang mana habis dahulu.

Nisbah mol daripada pekali berfungsi seperti kadar pertukaran antara bahan. Untuk menggunakannya, tukar setiap jisim atau isi padu yang diberi kepada mol dahulu, gunakan nisbah itu, dan tukar kembali kepada gram hanya jika soalan meminta jisim.

Analogi dapur menunjukkan idea ini. Jika setiap sandwic memerlukan 2 keping roti dan 1 keping keju, maka 10 keping roti dan 7 keping keju hanya menghasilkan 5 sandwic. Roti mengehadkan hasil walaupun jumlah kepingnya lebih banyak, kerana resipi menggunakan roti dua kali lebih pantas.

Dua ujian yang boleh dipercayai untuk bahan tindak balas pengehad

Bandingkan kuantiti hasil. Bagi setiap bahan tindak balas, hitung berapa banyak hasil yang boleh dibentuknya jika semua yang lain tidak terhad. Bahan tindak balas yang memberikan kuantiti hasil paling sedikit ialah pengehad, dan kuantiti terkecil itu ialah hasil teori. Ujian ini menjawab soalan susulan yang paling lazim pada masa yang sama.

Bandingkan yang diperlukan dengan yang ada. Pilih satu bahan tindak balas, hitung berapa banyak bahan tindak balas kedua yang diperlukannya, dan bandingkan dengan yang ada. Jika yang ada kurang daripada yang diperlukan, bahan tindak balas kedua ialah pengehad; jika tidak, yang pertama. Pintasan yang setara membahagikan kuantiti setiap bahan tindak balas dalam mol dengan pekalinya; hasil bahagi terkecil menandakan bahan tindak balas pengehad.

Kedua-dua ujian memerlukan persamaan seimbang dan kuantiti dalam mol. Dengan tiga atau lebih bahan tindak balas, ujian kuantiti hasil atau pintasan bahagi-dengan-pekali kurang terdedah kepada kesilapan berbanding membandingkan bahan tindak balas secara berpasangan.

Contoh penyelesaian: dawai kuprum dalam larutan argentum nitrat

Kuprum menyesarkan argentum daripada argentum nitrat: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Sekeping dawai kuprum 3.00 g diletakkan dalam larutan yang mengandungi 8.50 g AgNO₃. Bahan tindak balas mana yang mengehadkan, berapakah jisim argentum yang boleh terbentuk, dan berapa banyak kuprum yang tinggal? Jisim molar menggunakan berat atom piawai IUPAC yang dibundarkan kepada dua tempat perpuluhan (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), jadi AgNO₃ ialah 169.88 g/mol.

Tukar kepada mol, dengan membawa digit tambahan: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu, dan 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Kuprum itu memerlukan 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, tetapi hanya 0.050035 mol yang ada, jadi AgNO₃ ialah pengehad, walaupun jisimnya hampir tiga kali ganda jisim kuprum.

Hasil teori argentum: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, dilaporkan sebagai 5.40 g. Berasaskan kuprum pula akan meramalkan 10.18 g argentum, yang tidak boleh terbentuk kerana argentum nitrat habis dahulu.

Kuprum berlebihan: AgNO₃ menggunakan 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, atau 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Kuprum yang tinggal = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, dilaporkan hingga tempat perseratus kerana 3.00 g diketahui hingga tempat perseratus. Jisim terabadi: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, sama dengan 3.00 g + 8.50 g pada permulaan.

Hasil teori, hasil sebenar dan peratus hasil

Hasil teori ialah kuantiti maksimum hasil yang boleh dibentuk oleh bahan tindak balas pengehad, dengan mengandaikan tindak balas berlangsung hingga selesai seperti yang ditulis tanpa tindak balas sampingan dan tanpa kehilangan. Hasil sebenar ialah kuantiti yang anda asingkan dan ukur. Peratus hasil = (hasil sebenar ÷ hasil teori) × 100%.

Hasil di bawah 100% adalah normal. Tindak balas mungkin mencapai keseimbangan sebelum bahan tindak balas pengehad habis digunakan, tindak balas sampingan mungkin menggunakan bahan tindak balas, dan hasil hilang semasa penurasan, pemindahan, pembasuhan atau penghabluran semula. Hasil melebihi 100% bagi hasil yang dianggap tulen biasanya bermakna ia masih mengandungi pelarut atau bendasing, atau jisim direkodkan dengan salah. Anggaplah ia sebagai isyarat untuk mengeringkan dan menimbang semula, bukan sebagai keputusan.

Kedua-dua hasil mesti menerangkan bahan yang sama dalam unit yang sama. Jika hasil teori dalam mol, tukar hasil sebenar kepada mol juga, atau nyatakan kedua-duanya dalam gram.

Contoh penyelesaian: peratus hasil sintesis ester

Isopentil asetat, ester yang berbau seperti pisang, terbentuk daripada asid asetik dan isopentil alkohol (3-metil-1-butanol): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. Campuran 6.00 g asid asetik dan 7.50 g isopentil alkohol memberikan 8.12 g ester yang ditulenkan. Berapakah peratus hasilnya?

Jisim molar (C 12.01, H 1.01, O 16.00): asid asetik 60.06 g/mol, isopentil alkohol 88.17 g/mol, ester 130.21 g/mol. Kuantiti: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol asid dan 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol alkohol. Nisbahnya 1:1, jadi alkohol ialah pengehad dan 0.01484 mol asid berlebihan. Menggunakan satu bahan tindak balas secara berlebihan ialah cara biasa untuk menolak tindak balas yang terhad oleh keseimbangan seperti ini ke arah hasil.

Hasil teori = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Peratus hasil = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, tiga angka bererti daripada 8.12 g dan 7.50 g. Membundarkan hasil teori kepada 11.1 g sebelum membahagi akan memberikan 73.2%, jadi bawa nilai yang tidak dibundarkan ke hadapan.

Peratus hasil juga berfungsi secara terbalik. Untuk mengumpul 5.00 g ester pada peratus hasil 73.3% yang sama, anda memerlukan hasil teori 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, iaitu 0.0524 mol ester. Itu memerlukan sekurang-kurangnya 0.0524 mol, atau 4.62 g, isopentil alkohol, dengan asid berlebihan.

Kesilapan hasil dan bahan tindak balas berlebihan yang perlu disemak

Kebanyakan kesilapan dalam masalah ini ialah kesilapan penyediaan dan bukan aritmetik, jadi setiap satu mempunyai semakan yang tidak memerlukan anda mengulang seluruh pengiraan.

Selepas selesai, sahkan tiga perkara: bahan tindak balas pengehad dipilih daripada mol, hasil teori datang daripada bahan tindak balas itu, dan peratus hasil ialah 100% atau kurang.

• Memilih bahan tindak balas pengehad dengan membandingkan jisim. Dalam contoh kuprum, bahan tindak balas yang jisimnya lebih besar ialah pengehad.
• Membandingkan kuantiti dalam mol tanpa pekali. Bahagikan setiap kuantiti dengan pekalinya, atau hitung hasil daripada setiap bahan tindak balas.
• Mengira hasil teori daripada bahan tindak balas berlebihan. Hasil teori sentiasa yang lebih kecil daripada kuantiti hasil yang mungkin.
• Mencari lebihan yang tinggal dengan menolak jisim satu bahan daripada jisim bahan lain. Hitung berapa banyak bahan tindak balas berlebihan yang digunakan, dalam unitnya sendiri, dan tolak daripada kuantiti bahan yang sama yang ada.
• Menukar ganti hasil sebenar dan hasil teori dalam formula. Peratus hasil melebihi 100% bagi hasil kering dan tulen bermakna ada sesuatu yang salah.
• Membundarkan nilai perantaraan. Kerjakan semula langkah terakhir dengan nombor yang tidak dibundarkan dan lihat sama ada digit yang dilaporkan berubah.