PERFORMANȚĂ TEORETICĂ: DIN CE CONSTĂ ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Randamentul teoretic al unei reacții chimice este cantitatea maximă care poate fi obținută dintr - un produs presupunând transformarea completă a reactanților. Când din motive cinetice, termodinamice sau experimentale, unul dintre reactanți reacționează parțial, randamentul rezultat este mai mic decât teoretic.

Acest concept vă permite să comparați diferența dintre reacțiile chimice scrise pe hârtie (ecuațiile chimice) și realitatea. Unele pot părea foarte simple, dar complexe experimental și cu un randament scăzut; în timp ce altele pot fi extinse, dar simple și de înaltă performanță atunci când sunt efectuate.

Sursa: Pxhere

Toate reacțiile chimice și cantitățile de reactivi au un randament teoretic. Datorită acestui fapt, se poate stabili un anumit grad de eficiență a variabilelor de proces și a rezultatelor; cu cât randamentul este mai mare (și timpul este mai scurt), cu atât sunt mai bune condițiile alese pentru reacție.

Astfel, pentru o reacție dată, se poate alege un interval de temperatură, viteza de agitare, timp, etc. și se poate realiza o performanță optimă. Scopul acestor eforturi este de a aproxima randamentul teoretic la randamentul efectiv.

Care este randamentul teoretic?

Randamentul teoretic este cantitatea de produs obținută dintr-o reacție care presupune o conversie de 100%; adică tot reactivul limitant trebuie consumat.

Deci, fiecare sinteză ar trebui, în mod ideal, să dea un randament experimental sau real egal cu 100%. Deși acest lucru nu apare, există reacții cu randamente mari (> 90%)

Este exprimat în procente, iar pentru a-l calcula trebuie mai întâi să recurgi la ecuația chimică a reacției. Din stoichiometrie, se determină pentru o anumită cantitate de reactiv limitant cât de mult este produsul. După aceasta, cantitatea de produs obținut (randamentul real) este comparată cu cea a valorii teoretice determinate:

% Randament = (Randament real / Randament teoretic) ∙ 100%

Acest randament% permite estimarea cât de eficientă a fost reacția în condițiile selectate. Valorile lor variază drastic în funcție de tipul de reacție. De exemplu, pentru unele reacții, un randament de 50% (jumătate din randamentul teoretic) poate fi considerat o reacție de succes.

Dar care sunt unitățile unei astfel de performanțe? Masa reactanților, adică numărul lor de grame sau alunițe. Prin urmare, pentru a determina randamentul unei reacții, trebuie cunoscute gramele sau alunițele care pot fi teoretic obținute.

Cele de mai sus pot fi clarificate cu un exemplu simplu.

Exemple

Exemplul 1

Luați în considerare următoarea reacție chimică:

A + B => C

1gA + 3gB => 4gC

Ecuația chimică are doar 1 coeficienți stoichiometrici pentru speciile A, B și C. Întrucât sunt specii ipotetice, masele lor moleculare sau atomice nu sunt cunoscute, dar raportul masic în care reacționează este disponibil; adică pentru fiecare gram de A, 3 g de B reacționează pentru a da 4 g de C (conservarea masei).

Prin urmare, randamentul teoretic pentru această reacție este de 4 g de C atunci când 1g de A reacționează cu 3g de B.

Care ar fi randamentul teoretic dacă am avea 9g de A? Pentru a-l calcula, utilizați doar factorul de conversie care se referă la A și C:

(9g A) ∙ (4g C / 1g A) = 36g C

Rețineți că acum randamentul teoretic este 36 g C în loc de 4 g C, deoarece există mai mult reactiv A.

Două metode: două returnări

Pentru reacția de mai sus, există două metode de a produce C. Presupunând că ambele încep cu 9g de A, fiecare are propriul său randament real. Metoda clasică permite obținerea a 23 g de C într-o perioadă de 1 oră; în timp ce se utilizează metoda modernă, se pot obține 29 g de C într-o jumătate de oră.

Care este randamentul% pentru fiecare dintre metodele? Știind că randamentul teoretic este 36 g de C, se aplică formula generală:

% randament (metodă clasică) = (23g C / 36g C) ∙ 100%

63,8%

% randament (metodă modernă) = (29g C / 36g C) ∙ 100%

80,5%

Logic, metoda modernă prin originea mai multor grame de C din cele 9 grame de A (plus cele 27 de grame B) are un randament de 80,5%, mai mare decât randamentul de 63,8% din metoda clasică.

Care dintre cele două metode să alegeți? La prima vedere, metoda modernă pare mai viabilă decât metoda clasică; Cu toate acestea, aspectul economic și posibilele impacturi asupra mediului ale fiecăruia intră în joc în decizie.

Exemplul 2

Consideră reacția exotermă și promițătoare ca sursă de energie:

H ₂ + O ₂ => H ₂ O

De notat că la fel ca în exemplul anterior, coeficienții stoechiometrici de H ₂ și O ₂ sunt 1. Dacă aveți 70g de H ₂ amestecată cu 150g de O ₂ , ceea ce va fi randamentul teoretic al reacției? Care este randamentul dacă 10 și 90g de H ₂ O sunt obținute?

Aici este incert cât de multe grame de H ₂ sau O ₂ reacționează; de aceea, alunițele fiecărei specii trebuie determinate de data aceasta:

Molii de H ₂ = (70g) ∙ (mol H ₂ / 2g)

35 de alunițe

Molii de O ₂ = (150g) ∙ (mol O ₂ / 32g)

4,69 alunițe

Reactivul de limitare este oxigen, deoarece 1mol de H ₂ reacționează cu 1mol de O ₂ ; și din moment ce există 4,69 moli de O ₂ , apoi 4,69 moli de H _{2 va} reacționa . De asemenea, moli de H ₂ O format va fi egal cu 4,69. Prin urmare, randamentul teoretic este 4,69 moli sau 84.42g de H ₂ O (înmulțirea alunite cu masa moleculară a apei).

Lipsa de oxigen și excesul de impurități

Dacă 10g de H ₂ sunt produse O, randamentul va fi:

Randament% = (10g H ₂ O / 84.42g H ₂ O) ∙ 100%

11.84%

Ceea ce este scăzut, deoarece un volum imens de hidrogen a fost amestecat cu foarte puțin oxigen.

Și dacă, pe de altă parte, 90g H ₂ O sunt produse , randamentul va fi acum:

Randament% = (90g H ₂ O / 84.42g H ₂ O) ∙ 100%

106.60%

Nicio performanță nu poate fi mai mare decât cea teoretică, deci orice peste 100% este o anomalie. Cu toate acestea, se poate datora următoarelor cauze:

-Produsul a acumulat alte produse cauzate de reacții secundare sau secundare.

-Produsul a fost contaminat în timpul sau la sfârșitul reacției.

În cazul reacției din acest exemplu, prima cauză este puțin probabilă, deoarece nu există niciun alt produs în afară de apă. A doua cauză, dacă 90g de apă au fost efectiv obținute în aceste condiții, indică faptul că a existat o intrare a altor compuși gazoși (cum ar fi CO ₂ și N ₂ ) , care au fost în mod eronat cântărite împreună cu apa.

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. (2008). Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Learning, p 97.
2. Helmenstine, Todd. (2018, 15 februarie) Cum se calculează randamentul teoretic al unei reacții chimice. Recuperat de la: thinkco.com
3. Chieh C. (13 iunie 2017). Randamente teoretice și actuale. Chimie LibreTexturi. Recuperat din: chem.libretexts.org
4. Academia Khan. (2018). Limitarea reactivilor și a randamentului procentual. Recuperat de la: khanacademy.org
5. Chimie introductivă. (Sf). Yield-urile. Recuperat din: saylordotorg.github.io
6. Curs introductiv în chimie generală. (Sf). Limitarea reactivului și a performanței. Universitatea din Valladolid. Recuperat din: eis.uva.es