Limitujúci reaktant a percentuálny výťažok vysvetlené

Prečo o minutí reaktantu rozhodujú móly, nie gramy

Vyčíslená rovnica počíta častice. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O znamená, že dve molekuly vodíka reagujú s jednou molekulou kyslíka, alebo 2 mol s 1 mol. O gramoch nehovorí priamo nič, pretože rôzne látky majú rôzne molárne hmotnosti. Porovnaním hmotností dvoch reaktantov preto nezistíte, ktorý sa minie prvý.

Mólový pomer z koeficientov funguje ako výmenný kurz medzi látkami. Aby ste ho mohli použiť, najprv previeďte každú zadanú hmotnosť alebo objem na móly, použite pomer a na gramy prevádzajte späť, len ak otázka žiada hmotnosť.

Myšlienku ukazuje analógia z kuchyne. Ak každý sendvič potrebuje 2 krajce chleba a 1 plátok syra, 10 krajcov chleba a 7 plátkov syra vyrobí len 5 sendvičov. Chlieb obmedzuje výsledok, hoci ho je viac, pretože recept ho spotrebúva dvakrát rýchlejšie.

Dve spoľahlivé skúšky limitujúceho reaktantu

Porovnajte množstvá produktu. Pre každý reaktant vypočítajte, koľko produktu by mohol vytvoriť, keby všetko ostatné bolo neobmedzené. Reaktant, ktorý dá najmenšie množstvo produktu, je limitujúci a toto najmenšie množstvo je teoretický výťažok. Táto skúška zároveň odpovedá na najčastejšiu nadväzujúcu otázku.

Porovnajte potrebné s dostupným. Vyberte jeden reaktant, vypočítajte, koľko druhého reaktantu by potreboval, a porovnajte s tým, čo je prítomné. Ak je prítomného menej, než treba, limitujúci je druhý reaktant; inak prvý. Ekvivalentná skratka vydelí množstvo každého reaktantu v móloch jeho koeficientom; najmenší podiel označuje limitujúci reaktant.

Obe skúšky vyžadujú vyčíslenú rovnicu a množstvá v móloch. Pri troch alebo viacerých reaktantoch je skúška podľa množstva produktu alebo skratka s delením koeficientmi menej náchylná na chyby než porovnávanie reaktantov po dvojiciach.

Riešený príklad: medený drôt v roztoku dusičnanu strieborného

Meď vytesňuje striebro z dusičnanu strieborného: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Kus medeného drôtu s hmotnosťou 3.00 g sa vloží do roztoku obsahujúceho 8.50 g AgNO₃. Ktorý reaktant je limitujúci, aká hmotnosť striebra môže vzniknúť a koľko medi ostane? Molárne hmotnosti používajú štandardné atómové hmotnosti IUPAC zaokrúhlené na dve desatinné miesta (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), takže AgNO₃ má 169.88 g/mol.

Previeďte na móly a ponechajte číslice navyše: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu a 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Meď by potrebovala 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, ale prítomných je len 0.050035 mol, takže AgNO₃ je limitujúci, hoci jeho hmotnosť je takmer trikrát väčšia než hmotnosť medi.

Teoretický výťažok striebra: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, uvedené ako 5.40 g. Výpočet založený na medi by predpovedal 10.18 g striebra, ktoré však nemôže vzniknúť, pretože dusičnan strieborný sa minie skôr.

Prebytočná meď: AgNO₃ spotrebuje 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, čiže 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Zostávajúca meď = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, uvedená na stotiny, pretože 3.00 g je známe na stotiny. Hmotnosť sa zachováva: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, čo sa rovná 3.00 g + 8.50 g na začiatku.

Teoretický, skutočný a percentuálny výťažok

Teoretický výťažok je maximálne množstvo produktu, ktoré môže limitujúci reaktant vytvoriť, ak reakcia prebehne úplne, tak ako je napísaná, bez vedľajších reakcií a bez strát. Skutočný výťažok je množstvo, ktoré izolujete a odmeriate. Percentuálny výťažok = (skutočný výťažok ÷ teoretický výťažok) × 100 %.

Výťažky pod 100 % sú bežné. Reakcia môže dosiahnuť rovnováhu skôr, než sa limitujúci reaktant spotrebuje, vedľajšie reakcie môžu spotrebovať reaktanty a produkt sa stráca pri filtrácii, prenose, premývaní alebo prekryštalizovaní. Výťažok nad 100 % pri údajne čistom produkte zvyčajne znamená, že stále obsahuje rozpúšťadlo alebo nečistoty, alebo že sa hmotnosť zaznamenala nesprávne. Považujte to za signál na vysušenie a opätovné odváženie, nie za výsledok.

Oba výťažky musia opisovať tú istú látku v rovnakých jednotkách. Ak je teoretický výťažok v móloch, previeďte na móly aj skutočný výťažok, alebo vyjadrite oba v gramoch.

Riešený príklad: percentuálny výťažok syntézy esteru

Izopentylacetát, ester s banánovou vôňou, vzniká z kyseliny octovej a izopentylalkoholu (3-metylbután-1-olu): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. Zmes 6.00 g kyseliny octovej a 7.50 g izopentylalkoholu dáva 8.12 g čisteného esteru. Aký je percentuálny výťažok?

Molárne hmotnosti (C 12.01, H 1.01, O 16.00): kyselina octová 60.06 g/mol, izopentylalkohol 88.17 g/mol, ester 130.21 g/mol. Množstvá: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol kyseliny a 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol alkoholu. Pomer je 1:1, takže alkohol je limitujúci a 0.01484 mol kyseliny je v nadbytku. Použitie jedného reaktantu v nadbytku je bežný spôsob, ako posunúť reakciu obmedzenú rovnováhou, ako je táto, smerom k produktu.

Teoretický výťažok = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Percentuálny výťažok = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100 % = 73.3 %, tri platné číslice z 8.12 g a 7.50 g. Zaokrúhlenie teoretického výťažku na 11.1 g pred delením by dalo 73.2 %, preto ďalej prenášajte nezaokrúhlenú hodnotu.

Percentuálny výťažok funguje aj naopak. Ak chcete získať 5.00 g esteru pri rovnakom výťažku 73.3 %, potrebujete teoretický výťažok 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, čo je 0.0524 mol esteru. To vyžaduje aspoň 0.0524 mol, čiže 4.62 g izopentylalkoholu, s kyselinou v nadbytku.

Chyby vo výťažku a v nadbytku reaktantu, na ktoré si dať pozor

Väčšina chýb v týchto úlohách sú chyby v zostavení, nie v aritmetike, takže ku každej patrí kontrola, ktorá nevyžaduje prepočítať celý výpočet odznova.

Po dokončení potvrďte tri veci: limitujúci reaktant bol zvolený podľa mólov, teoretický výťažok pochádza z tohto reaktantu a percentuálny výťažok je najviac 100 %.

• Výber limitujúceho reaktantu porovnaním hmotností. V príklade s meďou bol limitujúci reaktant s väčšou hmotnosťou.
• Porovnávanie množstiev v móloch bez koeficientov. Vydeľte každé množstvo jeho koeficientom, alebo vypočítajte produkt z každého reaktantu.
• Výpočet teoretického výťažku z reaktantu v nadbytku. Teoretický výťažok je vždy menšie z možných množstiev produktu.
• Zisťovanie zvyšného nadbytku odčítaním hmotnosti jednej látky od hmotnosti inej. Vypočítajte, koľko reaktantu v nadbytku sa spotrebovalo, v jeho vlastných jednotkách, a odčítajte to od množstva tej istej látky, ktoré bolo prítomné.
• Zámena skutočného a teoretického výťažku vo vzorci. Percentuálny výťažok nad 100 % pri suchom, čistom produkte znamená, že niečo nie je v poriadku.
• Zaokrúhľovanie medzihodnôt. Prepočítajte posledný krok s nezaokrúhlenými číslami a pozrite sa, či sa uvedené číslice zmenia.