Лимитирајући реактант и проценат приноса објашњени

Зашто молови, а не грами, одређују који реактант се први троши

Уравнотежена једначина броји честице. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O значи да два молекула водоника реагују са једним молекулом кисеоника, односно 2 mol са 1 mol. Она директно ништа не говори о грамима, јер различите супстанце имају различите моларне масе. Поређење маса два реактанта стога не може рећи који се први троши.

Молски однос из коефицијената ради као девизни курс између супстанци. Да бисте га користили, прво сваку задату масу или запремину претворите у молове, примените однос и враћајте се у граме само ако питање тражи масу.

Кухињска аналогија показује идеју. Ако је за сваки сендвич потребно 2 кришке хлеба и 1 кришка сира, онда 10 кришки хлеба и 7 кришки сира дају само 5 сендвича. Хлеб ограничава производњу иако га има више кришки, јер рецепт троши хлеб дупло брже.

Две поуздане провере лимитирајућег реактанта

Упоредите количине производа. За сваки реактант израчунајте колико производа би могао да образује када би све остало било неограничено. Реактант који даје најмању количину производа је лимитирајући, а та најмања количина је теоријски принос. Ова провера истовремено одговара на најчешће потпитање.

Упоредите потребно са расположивим. Изаберите један реактант, израчунајте колико би му другог реактанта било потребно и упоредите са оним што је присутно. Ако је присутно мање него што је потребно, други реактант је лимитирајући; у супротном је први. Еквивалентна пречица дели количину сваког реактанта у молима његовим коефицијентом; најмањи количник означава лимитирајући реактант.

Обе провере захтевају уравнотежену једначину и количине у молима. Са три или више реактаната, провера количина производа или пречица дељења коефицијентом мање је склона грешци од поређења реактаната у паровима.

Решени пример: бакарна жица у раствору сребро-нитрата

Бакар истискује сребро из сребро-нитрата: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Комад бакарне жице од 3.00 g ставља се у раствор који садржи 8.50 g AgNO₃. Који је реактант лимитирајући, колика маса сребра може да настане и колико бакра преостаје? Моларне масе користе IUPAC стандардне атомске тежине заокружене на две децимале (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), па је AgNO₃ 169.88 g/mol.

Претворите у молове, носећи додатне цифре: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu, и 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Бакру би било потребно 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, али је присутно само 0.050035 mol, па је AgNO₃ лимитирајући, иако му је маса скоро три пута већа од масе бакра.

Теоријски принос сребра: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, наведено као 5.40 g. Рачун заснован на бакру предвидео би 10.18 g сребра, које не може да настане јер се сребро-нитрат први потроши.

Вишак бакра: AgNO₃ троши 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, или 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Преостали бакар = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, наведено на стоте делове јер је 3.00 g познато на стоте делове. Маса се одржава: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, једнако 3.00 g + 8.50 g на почетку.

Теоријски, стварни и процентни принос

Теоријски принос је највећа количина производа коју лимитирајући реактант може да образује, под претпоставком да се реакција одвија до краја како је написана, без споредних реакција и губитака. Стварни принос је количина коју издвојите и измерите. Проценат приноса = (стварни принос ÷ теоријски принос) × 100%.

Приноси испод 100% су уобичајени. Реакција може достићи равнотежу пре него што се лимитирајући реактант утроши, споредне реакције могу трошити реактанте, а производ се губи при филтрацији, преношењу, прању или прекристализацији. Принос изнад 100% за наводно чист производ обично значи да он још садржи растварач или нечистоће или да је маса погрешно забележена. Третирајте то као знак да осушите и поново измерите, а не као резултат.

Оба приноса морају описивати исту супстанцу у истим јединицама. Ако је теоријски принос у молима, и стварни принос претворите у молове, или оба изразите у грамима.

Решени пример: проценат приноса синтезе естра

Изопентил-ацетат, естар мириса налик банани, настаје из сирћетне киселине и изопентил-алкохола (3-метил-1-бутанола): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. Смеша од 6.00 g сирћетне киселине и 7.50 g изопентил-алкохола даје 8.12 g пречишћеног естра. Колики је проценат приноса?

Моларне масе (C 12.01, H 1.01, O 16.00): сирћетна киселина 60.06 g/mol, изопентил-алкохол 88.17 g/mol, естар 130.21 g/mol. Количине: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol киселине и 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol алкохола. Однос је 1:1, па је алкохол лимитирајући и 0.01484 mol киселине је у вишку. Употреба једног реактанта у вишку уобичајен је начин да се реакција ограничена равнотежом, као што је ова, помери ка производу.

Теоријски принос = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Проценат приноса = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, три значајне цифре од 8.12 g и 7.50 g. Заокруживање теоријског приноса на 11.1 g пре дељења дало би 73.2%, зато носите даље незаокружену вредност.

Проценат приноса ради и уназад. Да бисте прикупили 5.00 g естра са истим приносом од 73.3%, потребан вам је теоријски принос од 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, што је 0.0524 mol естра. За то је потребно најмање 0.0524 mol, или 4.62 g, изопентил-алкохола, уз киселину у вишку.

Грешке у приносу и вишку реактанта које треба проверити

Већина грешака у овим задацима су грешке у постављању, а не у рачуну, па свака има проверу која не захтева да се цео прорачун ради изнова.

Када завршите, потврдите три ствари: да је лимитирајући реактант изабран на основу молова, да теоријски принос потиче од тог реактанта и да је проценат приноса 100% или мањи.

• Избор лимитирајућег реактанта поређењем маса. У примеру са бакром, лимитирајући је био реактант са већом масом.
• Поређење количина у молима без коефицијената. Поделите сваку количину њеним коефицијентом или израчунајте производ из сваког реактанта.
• Израчунавање теоријског приноса из реактанта у вишку. Теоријски принос је увек мања од могућих количина производа.
• Налажење преосталог вишка одузимањем масе једне супстанце од масе друге. Израчунајте колико реактанта у вишку је утрошено, у његовим јединицама, и одузмите то од количине исте супстанце која је била присутна.
• Замена стварног и теоријског приноса у формули. Проценат приноса изнад 100% за сув, чист производ значи да нешто није у реду.
• Заокруживање међувредности. Поново обавите последњи корак са незаокруженим бројевима и видите да ли се наведене цифре мењају.