Giải thích chất phản ứng giới hạn và hiệu suất phần trăm

Vì sao mol, chứ không phải gam, quyết định chất phản ứng nào hết

Một phương trình cân bằng đếm các hạt. 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O nghĩa là hai phân tử hiđro phản ứng với một phân tử oxi, hay 2 mol với 1 mol. Nó không nói trực tiếp gì về gam, vì các chất khác nhau có khối lượng mol khác nhau. Vì vậy so sánh khối lượng của hai chất phản ứng không thể cho biết chất nào hết trước.

Tỉ lệ mol từ các hệ số hoạt động như một tỉ giá trao đổi giữa các chất. Để dùng nó, trước hết hãy đổi mỗi khối lượng hoặc thể tích đã cho sang mol, áp dụng tỉ lệ, và chỉ đổi lại sang gam nếu câu hỏi yêu cầu một khối lượng.

Một phép so sánh trong nhà bếp cho thấy ý tưởng này. Nếu mỗi chiếc bánh sandwich cần 2 lát bánh mì và 1 lát phô mai, thì 10 lát bánh mì và 7 lát phô mai chỉ làm được 5 chiếc sandwich. Bánh mì giới hạn sản lượng dù số lát của nó nhiều hơn, vì công thức dùng bánh mì nhanh gấp đôi.

Hai phép thử đáng tin cậy cho chất phản ứng giới hạn

So sánh lượng sản phẩm. Với mỗi chất phản ứng, hãy tính nó có thể tạo ra bao nhiêu sản phẩm nếu mọi chất khác là không giới hạn. Chất phản ứng cho lượng sản phẩm nhỏ nhất là chất giới hạn, và lượng nhỏ nhất đó là hiệu suất lý thuyết. Phép thử này đồng thời trả lời câu hỏi tiếp theo thường gặp nhất.

So sánh lượng cần với lượng có. Chọn một chất phản ứng, tính xem nó cần bao nhiêu chất phản ứng thứ hai, và so với lượng đang có. Nếu lượng có ít hơn lượng cần, chất thứ hai là chất giới hạn; nếu không thì chất thứ nhất là chất giới hạn. Một cách tắt tương đương là chia lượng mol của mỗi chất phản ứng cho hệ số của nó; thương nhỏ nhất chỉ ra chất phản ứng giới hạn.

Cả hai phép thử đều cần phương trình đã cân bằng và lượng chất tính bằng mol. Với ba chất phản ứng trở lên, phép thử lượng sản phẩm hoặc cách tắt chia cho hệ số ít dễ sai hơn so với việc so sánh từng cặp chất phản ứng.

Ví dụ có lời giải: dây đồng trong dung dịch bạc nitrat

Đồng đẩy bạc ra khỏi bạc nitrat: Cu(s) + 2 AgNO₃(aq) → Cu(NO₃)₂(aq) + 2 Ag(s). Một đoạn dây đồng 3.00 g được đặt vào dung dịch chứa 8.50 g AgNO₃. Chất phản ứng nào là chất giới hạn, khối lượng bạc có thể tạo ra là bao nhiêu và còn lại bao nhiêu đồng? Các khối lượng mol dùng khối lượng nguyên tử chuẩn của IUPAC làm tròn đến hai chữ số thập phân (Cu 63.55, Ag 107.87, N 14.01, O 16.00), nên AgNO₃ là 169.88 g/mol.

Đổi sang mol, giữ các chữ số dư: 3.00 g Cu ÷ 63.55 g/mol = 0.047207 mol Cu, và 8.50 g AgNO₃ ÷ 169.88 g/mol = 0.050035 mol AgNO₃. Lượng đồng đó cần 2 × 0.047207 = 0.094414 mol AgNO₃, nhưng chỉ có 0.050035 mol, nên AgNO₃ là chất giới hạn, dù khối lượng của nó gần gấp ba lần khối lượng đồng.

Hiệu suất lý thuyết của bạc: 0.050035 mol AgNO₃ × (2 mol Ag / 2 mol AgNO₃) × 107.87 g/mol = 5.397 g, báo cáo là 5.40 g. Nếu tính dựa trên đồng thì sẽ dự đoán 10.18 g bạc, lượng này không thể tạo ra vì bạc nitrat hết trước.

Đồng dư: AgNO₃ tiêu thụ 0.050035 mol ÷ 2 = 0.025018 mol Cu, hay 0.025018 mol × 63.55 g/mol = 1.590 g. Đồng còn lại = 3.00 g − 1.590 g = 1.41 g, báo cáo đến hàng phần trăm vì 3.00 g được biết đến hàng phần trăm. Khối lượng được bảo toàn: 5.397 g Ag + 4.693 g Cu(NO₃)₂ (187.57 g/mol) + 1.410 g Cu = 11.50 g, bằng 3.00 g + 8.50 g lúc đầu.

Hiệu suất lý thuyết, thực tế và phần trăm

Hiệu suất lý thuyết là lượng sản phẩm tối đa mà chất phản ứng giới hạn có thể tạo ra, giả định phản ứng diễn ra hoàn toàn như đã viết, không có phản ứng phụ và không hao hụt. Hiệu suất thực tế là lượng bạn thu được và đo được. Hiệu suất phần trăm = (hiệu suất thực tế ÷ hiệu suất lý thuyết) × 100%.

Hiệu suất dưới 100% là bình thường. Phản ứng có thể đạt cân bằng trước khi chất phản ứng giới hạn dùng hết, các phản ứng phụ có thể tiêu thụ chất phản ứng, và sản phẩm bị mất trong quá trình lọc, chuyển, rửa hoặc kết tinh lại. Hiệu suất trên 100% với một sản phẩm được cho là tinh khiết thường có nghĩa là nó còn chứa dung môi hoặc tạp chất, hoặc một khối lượng đã bị ghi sai. Hãy coi đó là tín hiệu để làm khô và cân lại, chứ không phải một kết quả.

Cả hai hiệu suất phải mô tả cùng một chất với cùng đơn vị. Nếu hiệu suất lý thuyết tính bằng mol, hãy đổi cả hiệu suất thực tế sang mol, hoặc biểu diễn cả hai bằng gam.

Ví dụ có lời giải: hiệu suất phần trăm của một phản ứng tổng hợp este

Isopentyl axetat, một este có mùi như chuối, được tạo từ axit axetic và ancol isopentylic (3-metylbutan-1-ol): C₂H₄O₂ + C₅H₁₂O → C₇H₁₄O₂ + H₂O. Hỗn hợp 6.00 g axit axetic và 7.50 g ancol isopentylic cho 8.12 g este tinh chế. Hiệu suất phần trăm là bao nhiêu?

Khối lượng mol (C 12.01, H 1.01, O 16.00): axit axetic 60.06 g/mol, ancol isopentylic 88.17 g/mol, este 130.21 g/mol. Lượng chất: 6.00 g ÷ 60.06 g/mol = 0.09990 mol axit và 7.50 g ÷ 88.17 g/mol = 0.08506 mol ancol. Tỉ lệ là 1:1, nên ancol là chất giới hạn và có 0.01484 mol axit dư. Dùng dư một chất phản ứng là cách thường gặp để đẩy một phản ứng bị giới hạn bởi cân bằng như thế này về phía sản phẩm.

Hiệu suất lý thuyết = 0.08506 mol × 130.21 g/mol = 11.076 g. Hiệu suất phần trăm = (8.12 g ÷ 11.076 g) × 100% = 73.3%, ba chữ số có nghĩa từ 8.12 g và 7.50 g. Nếu làm tròn hiệu suất lý thuyết thành 11.1 g trước khi chia thì được 73.2%, nên hãy giữ giá trị chưa làm tròn cho các bước sau.

Hiệu suất phần trăm cũng dùng được theo chiều ngược. Để thu 5.00 g este với cùng hiệu suất 73.3%, bạn cần hiệu suất lý thuyết là 5.00 g ÷ 0.733 = 6.82 g, tức 0.0524 mol este. Điều đó cần ít nhất 0.0524 mol, hay 4.62 g, ancol isopentylic, với axit dư.

Những lỗi về hiệu suất và chất phản ứng dư cần kiểm tra

Hầu hết lỗi trong các bài toán này là lỗi thiết lập chứ không phải lỗi số học, nên mỗi lỗi có một phép kiểm tra không cần làm lại toàn bộ phép tính.

Sau khi xong, hãy xác nhận ba điều: chất phản ứng giới hạn được chọn từ số mol, hiệu suất lý thuyết được tính từ chất đó, và hiệu suất phần trăm không vượt quá 100%.

• Chọn chất phản ứng giới hạn bằng cách so sánh khối lượng. Trong ví dụ về đồng, chất phản ứng có khối lượng lớn hơn lại là chất giới hạn.
• So sánh lượng mol mà không tính đến các hệ số. Hãy chia mỗi lượng cho hệ số của nó, hoặc tính sản phẩm từ mỗi chất phản ứng.
• Tính hiệu suất lý thuyết từ chất phản ứng dư. Hiệu suất lý thuyết luôn là giá trị nhỏ hơn trong các lượng sản phẩm có thể có.
• Tìm lượng dư còn lại bằng cách lấy khối lượng của chất này trừ khối lượng của chất khác. Hãy tính lượng chất phản ứng dư đã tiêu thụ, theo đơn vị của chính nó, rồi trừ khỏi lượng của cùng chất đó đang có.
• Đảo hiệu suất thực tế và lý thuyết trong công thức. Hiệu suất phần trăm trên 100% với sản phẩm khô, tinh khiết có nghĩa là có điều gì đó sai.
• Làm tròn các giá trị trung gian. Hãy làm lại bước cuối với các số chưa làm tròn và xem các chữ số báo cáo có thay đổi không.