Omejujoči reaktant in odstotni izkoristek – razlaga

Zakaj o tem, kateri reaktant se porabi, odločajo moli in ne grami

Uravnotežena enačba šteje delce. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O pomeni, da dve molekuli vodika reagirata z eno molekulo kisika, ali 2 mola z 1 molom. Neposredno ne pove ničesar o gramih, ker imajo različne snovi različne molske mase. Primerjava mas dveh reaktantov zato ne more povedati, kateri se porabi prvi.

Molsko razmerje iz koeficientov deluje kot menjalni tečaj med snovmi. Za njegovo uporabo vsako podano maso ali prostornino najprej pretvorite v mole, uporabite razmerje in nazaj v grame pretvorite le, če vprašanje zahteva maso.

Kuhinjska primerjava pokaže zamisel. Če vsak sendvič potrebuje 2 rezini kruha in 1 rezino sira, potem 10 rezin kruha in 7 rezin sira naredi le 5 sendvičev. Kruh omejuje izdelavo, čeprav ga je več rezin, ker ga recept porabi dvakrat hitreje.

Dva zanesljiva preizkusa za omejujoči reaktant

Primerjajte količine produkta. Za vsak reaktant izračunajte, koliko produkta bi lahko nastalo, če bi bilo vse drugo neomejeno. Reaktant, ki da najmanjšo količino produkta, je omejujoč, ta najmanjša količina pa je teoretični izkoristek. Ta preizkus hkrati odgovori na najpogostejše nadaljnje vprašanje.

Primerjajte potrebno z razpoložljivim. Izberite en reaktant, izračunajte, koliko drugega bi potreboval, in primerjajte s tem, kar je prisotno. Če je prisotno manj od potrebnega, je omejujoč drugi reaktant; sicer prvi. Enakovredna bližnjica vsako množino snovi v molih deli z njenim koeficientom; najmanjši količnik označuje omejujoči reaktant.

Oba preizkusa potrebujeta uravnoteženo enačbo in množine snovi v molih. Pri treh ali več reaktantih sta preizkus količine produkta ali bližnjica z deljenjem s koeficientom manj nagnjena k napakam kot primerjava reaktantov v parih.

Rešen primer: bakrena žica v raztopini srebrovega nitrata

Baker izpodrine srebro iz srebrovega nitrata: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Kos bakrene žice z maso 3.00 g damo v raztopino, ki vsebuje 8.50 g AgNO₃. Kateri reaktant je omejujoč, kolikšna masa srebra lahko nastane in koliko bakra ostane? Molske mase uporabljajo IUPAC standardne atomske mase, zaokrožene na dve decimalki (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), zato je AgNO₃ 169.88 g/mol.

Pretvorite v mole in obdržite dodatne števke: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu in 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Baker bi potreboval 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, prisotnega pa je le 0.050035 mol, zato je AgNO₃ omejujoč, čeprav je njegova masa skoraj trikrat večja od mase bakra.

Teoretični izkoristek srebra: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, zapisano kot 5.40 g. Če bi račun namesto tega temeljil na bakru, bi napovedal 10.18 g srebra, ki pa ne more nastati, ker se srebrov nitrat porabi prej.

Presežek bakra: AgNO₃ porabi 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, ali 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Preostali baker = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, zapisano na stotinko, ker je 3.00 g znano na stotinko. Masa se ohranja: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, kar je enako 3.00 g + 8.50 g na začetku.

Teoretični, dejanski in odstotni izkoristek

Teoretični izkoristek je največja količina produkta, ki ga lahko tvori omejujoči reaktant, ob predpostavki, da reakcija poteka do konca, kot je zapisana, brez stranskih reakcij in izgub. Dejanski izkoristek je količina, ki jo izolirate in izmerite. Odstotni izkoristek = (dejanski izkoristek ÷ teoretični izkoristek) × 100 %.

Izkoristki pod 100 % so običajni. Reakcija lahko doseže ravnotežje, preden se omejujoči reaktant porabi, stranske reakcije lahko porabijo reaktante, produkt pa se izgublja pri filtriranju, prelivanju, spiranju ali prekristalizaciji. Izkoristek nad 100 % za domnevno čist produkt običajno pomeni, da še vsebuje topilo ali nečistoče, ali da je bila masa napačno zabeležena. To obravnavajte kot znak, da je treba posušiti in ponovno stehtati, ne kot rezultat.

Oba izkoristka morata opisovati isto snov v istih enotah. Če je teoretični izkoristek v molih, tudi dejanski izkoristek pretvorite v mole ali pa oba izrazite v gramih.

Rešen primer: odstotni izkoristek sinteze estra

Izopentil acetat, ester z vonjem po banani, nastane iz ocetne kisline in izopentilnega alkohola (3-metilbutan-1-ol): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. Zmes 6.00 g ocetne kisline in 7.50 g izopentilnega alkohola da 8.12 g očiščenega estra. Kolikšen je odstotni izkoristek?

Molske mase (C 12.01, H 1.01, O 16.00): ocetna kislina 60.06 g/mol, izopentilni alkohol 88.17 g/mol, ester 130.21 g/mol. Množine snovi: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol kisline in 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol alkohola. Razmerje je 1:1, zato je omejujoč alkohol in 0.01484 mol kisline je v presežku. Uporaba enega reaktanta v presežku je pogost način, da se reakcija, omejena z ravnotežjem, kakršna je ta, potisne proti produktu.

Teoretični izkoristek = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Odstotni izkoristek = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100 % = 73.3 %, tri veljavne števke iz 8.12 g in 7.50 g. Če bi teoretični izkoristek pred deljenjem zaokrožili na 11.1 g, bi dobili 73.2 %, zato naprej prenašajte nezaokroženo vrednost.

Odstotni izkoristek deluje tudi v nasprotni smeri. Da bi pri istem izkoristku 73.3 % zbrali 5.00 g estra, potrebujete teoretični izkoristek 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, kar je 0.0524 mol estra. To zahteva vsaj 0.0524 mol, ali 4.62 g, izopentilnega alkohola, s kislino v presežku.

Napake pri izkoristku in presežnem reaktantu, ki jih je treba preveriti

Večina napak pri teh nalogah je napak pri postavitvi in ne pri računanju, zato ima vsaka preverjanje, ki ne zahteva ponovnega reševanja celotnega izračuna.

Po končanem delu potrdite tri stvari: omejujoči reaktant je bil izbran iz molov, teoretični izkoristek izhaja iz tega reaktanta, odstotni izkoristek pa je 100 % ali manj.

• Izbira omejujočega reaktanta s primerjavo mas. V primeru z bakrom je bil omejujoč reaktant z večjo maso.
• Primerjava množin snovi v molih brez koeficientov. Vsako množino delite z njenim koeficientom ali pa izračunajte produkt iz vsakega reaktanta.
• Izračun teoretičnega izkoristka iz presežnega reaktanta. Teoretični izkoristek je vedno manjša od možnih količin produkta.
• Iskanje preostalega presežka z odštevanjem mase ene snovi od mase druge. Izračunajte, koliko presežnega reaktanta se porabi, v njegovih lastnih enotah, in to odštejte od množine iste snovi, ki je prisotna.
• Zamenjava dejanskega in teoretičnega izkoristka v formuli. Odstotni izkoristek nad 100 % za suh, čist produkt pomeni, da je nekaj narobe.
• Zaokroževanje vmesnih vrednosti. Ponovite zadnji korak z nezaokroženimi števili in poglejte, ali se zapisane števke spremenijo.