Reaktanti kufizues dhe rendimenti në përqindje të shpjeguar

Pse molet, jo gramët, vendosin cili reaktant mbaron

Një ekuacion i barazuar numëron grimca. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O do të thotë se dy molekula hidrogjeni reagojnë me një molekulë oksigjeni, ose 2 mol me 1 mol. Ai nuk thotë drejtpërdrejt asgjë për gramët, sepse substancat e ndryshme kanë masa molare të ndryshme. Prandaj krahasimi i masave të dy reaktantëve nuk mund të të tregojë cili mbaron i pari.

Raporti i moleve nga koeficientët vepron si kurs këmbimi mes substancave. Për ta përdorur, së pari shndërro çdo masë ose vëllim të dhënë në mole, zbato raportin dhe ktho përsëri në gramë vetëm nëse pyetja kërkon masë.

Një analogji nga kuzhina e tregon idenë. Nëse çdo sanduiç kërkon 2 fetë bukë dhe 1 fetë djathë, atëherë 10 fetë bukë dhe 7 fetë djathë bëjnë vetëm 5 sanduiçe. Buka e kufizon prodhimin edhe pse ka më shumë fetë të saj, sepse receta e përdor bukën dyfish më shpejt.

Dy prova të besueshme për reaktantin kufizues

Krahaso sasitë e produktit. Për secilin reaktant, llogarit sa produkt mund të formonte nëse gjithçka tjetër do të ishte e pakufizuar. Reaktanti që jep sasinë më të vogël të produktit është kufizues dhe ajo sasi më e vogël është rendimenti teorik. Kjo provë i përgjigjet njëkohësisht pyetjes më të zakonshme vijuese.

Krahaso të nevojshmen me të disponueshmen. Zgjidh një reaktant, llogarit sa nga një reaktant i dytë do t'i duhej dhe krahasoje me atë që ka. Nëse ka më pak nga sa nevojitet, reaktanti i dytë është kufizues; përndryshe është i pari. Një shkurtore ekuivalente e pjesëton sasinë e çdo reaktanti në mole me koeficientin e tij; herësi më i vogël shënon reaktantin kufizues.

Të dyja provat kërkojnë një ekuacion të barazuar dhe sasi në mole. Me tre ose më shumë reaktantë, prova e sasisë së produktit ose shkurtorja e pjesëtimit me koeficient gabon më pak se krahasimi i reaktantëve në çifte.

Shembull i zgjidhur: tel bakri në tretësirë nitrati të argjendit

Bakri zhvendos argjendin nga nitrati i argjendit: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Një copë tel bakri prej 3.00 g vendoset në një tretësirë që përmban 8.50 g AgNO₃. Cili reaktant është kufizues, sa masë argjendi mund të formohet dhe sa bakër mbetet? Masat molare përdorin peshat atomike standarde të IUPAC-ut të rrumbullakuara me dy shifra pas presjes (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), ndaj AgNO₃ është 169.88 g/mol.

Shndërro në mole, duke mbajtur shifra shtesë: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu dhe 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Bakri do të kërkonte 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, por ka vetëm 0.050035 mol, ndaj AgNO₃ është kufizues, edhe pse masa e tij është pothuajse tri herë ajo e bakrit.

Rendimenti teorik i argjendit: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, e raportuar si 5.40 g. Nëse llogaritja do të bazohej te bakri, do të parashikonte 10.18 g argjend, çka nuk mund të formohet, sepse nitrati i argjendit mbaron i pari.

Bakri i tepërt: AgNO₃ konsumon 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, ose 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Bakri i mbetur = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, i raportuar deri te e qindta, sepse 3.00 g njihet deri te e qindta. Masa ruhet: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, e barabartë me 3.00 g + 8.50 g në fillim.

Rendimenti teorik, real dhe në përqindje

Rendimenti teorik është sasia maksimale e produktit që mund të formojë reaktanti kufizues, duke supozuar se reaksioni shkon deri në fund siç është shkruar, pa reaksione anësore e pa humbje. Rendimenti real është sasia që izolon dhe mat. Rendimenti në përqindje = (rendimenti real ÷ rendimenti teorik) × 100%.

Rendimentet nën 100% janë normale. Një reaksion mund të arrijë ekuilibrin para se të konsumohet reaktanti kufizues, reaksionet anësore mund të konsumojnë reaktantë, dhe produkti humbet gjatë filtrimit, transferimit, larjes ose rikristalizimit. Një rendiment mbi 100% për një produkt që supozohet i pastër zakonisht do të thotë se ai ende përmban tretës ose papastërti, ose se një masë është regjistruar gabim. Trajtoje si sinjal për ta tharë e peshuar përsëri, jo si rezultat.

Të dy rendimentet duhet të përshkruajnë të njëjtën substancë në të njëjtat njësi. Nëse rendimenti teorik është në mole, shndërro edhe rendimentin real në mole, ose shprehi të dyja në gramë.

Shembull i zgjidhur: rendimenti në përqindje i një sinteze esteri

Acetati i izopentilit, një ester me erë si të bananes, formohet nga acidi acetik dhe alkooli izopentilik (3-metil-1-butanol): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. Një përzierje me 6.00 g acid acetik dhe 7.50 g alkool izopentilik jep 8.12 g ester të pastruar. Sa është rendimenti në përqindje?

Masat molare (C 12.01, H 1.01, O 16.00): acidi acetik 60.06 g/mol, alkooli izopentilik 88.17 g/mol, estri 130.21 g/mol. Sasitë: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol acid dhe 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol alkool. Raporti është 1:1, ndaj alkooli është kufizues dhe 0.01484 mol acid është i tepërt. Përdorimi i njërit reaktant në tepricë është një mënyrë e zakonshme për ta shtyrë drejt produktit një reaksion të kufizuar nga ekuilibri si ky.

Rendimenti teorik = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Rendimenti në përqindje = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, tri shifra domethënëse nga 8.12 g dhe 7.50 g. Rrumbullakimi i rendimentit teorik në 11.1 g para pjesëtimit do të jepte 73.2%, ndaj çoje përpara vlerën e parrumbullakuar.

Rendimenti në përqindje vlen edhe në drejtim të kundërt. Për të mbledhur 5.00 g ester me të njëjtin rendiment 73.3%, të duhet një rendiment teorik 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, që është 0.0524 mol ester. Kjo kërkon të paktën 0.0524 mol, ose 4.62 g, alkool izopentilik, me acidin në tepricë.

Gabimet e rendimentit dhe të reaktantit të tepërt që duhen kontrolluar

Shumica e gabimeve në këto probleme janë gabime ndërtimi dhe jo aritmetike, ndaj secili ka një kontroll që nuk kërkon ta ribësh gjithë llogaritjen.

Kur të përfundosh, konfirmo tri gjëra: reaktanti kufizues u zgjodh nga molet, rendimenti teorik erdhi nga ai reaktant dhe rendimenti në përqindje është 100% ose më i vogël.

• Zgjedhja e reaktantit kufizues duke krahasuar masat. Në shembullin e bakrit, kufizues ishte reaktanti me masën më të madhe.
• Krahasimi i sasive në mole pa koeficientët. Pjesëto çdo sasi me koeficientin e saj, ose llogarit produktin nga çdo reaktant.
• Llogaritja e rendimentit teorik nga reaktanti i tepërt. Rendimenti teorik është gjithmonë më i vogli nga sasitë e mundshme të produktit.
• Gjetja e tepricës së mbetur duke zbritur masën e një substance nga masa e një tjetre. Llogarit sa nga reaktanti i tepërt konsumohet, në njësitë e veta, dhe zbrite nga sasia e të njëjtës substancë që ishte e pranishme.
• Këmbimi i rendimentit real me atë teorik në formulë. Një rendiment mbi 100% për një produkt të thatë e të pastër do të thotë se diçka nuk është në rregull.
• Rrumbullakimi i vlerave të ndërmjetme. Ripuno hapin e fundit me numra të parrumbullakuar dhe shiko nëse shifrat e raportuara ndryshojnë.