ТЕОРЕТИЧНЕ ВИКОНАННЯ: З ЧОГО СКЛАДАЄТЬСЯ І ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Теоретичний вихід хімічної реакції максимальну кількість , яке може бути отримано з продукту , припускаючи повне перетворення реагентів. Коли з кінетичних, термодинамічних або експериментальних причин один з реагентів частково реагує, отриманий вихід менший від теоретичного.

Ця концепція дозволяє порівняти розрив між хімічними реакціями, написаними на папері (хімічні рівняння), та реальністю. Деякі можуть виглядати дуже просто, але експериментально складно і малопродуктивно; тоді як інші можуть бути обширними, але простими та високопродуктивними, коли їх проводять.

Джерело: Pxhere

Всі хімічні реакції та кількості реагентів мають теоретичний вихід. Завдяки цьому можна встановити ступінь ефективності змінних процесів та звернень; чим більший вихід (і чим коротший час), тим кращі умови, вибрані для реакції.

Таким чином, для даної реакції може бути обраний температурний діапазон, швидкість перемішування, час тощо, і можна досягти оптимальної продуктивності. Метою таких зусиль є наближення теоретичного врожаю до фактичного врожаю.

Що таке теоретичний вихід?

Теоретичний вихід - це кількість продукту, отриманого в результаті реакції, що передбачає конверсію 100%; тобто весь обмежуючий реагент потрібно споживати.

Отже, кожен синтез в ідеалі повинен дати експериментальний або реальний вихід, рівний 100%. Хоча цього не відбувається, є реакції з високим виходом (> 90%)

Він виражається у відсотках, і для його обчислення потрібно спочатку вдатися до хімічного рівняння реакції. Із стехіометрії визначається певна кількість обмежувального реагенту, скільки продукту походить. Після цього кількість отриманого продукту (фактичний вихід) порівнюється з визначеною теоретичною величиною:

% Вихід = (фактичний вихід / теоретичний вихід) Y 100%

Цей% вихід дозволяє оцінити ефективність реакції у вибраних умовах. Їх значення різко різняться в залежності від типу реакції. Наприклад, для деяких реакцій 50% вихід (половина теоретичного виходу) можна вважати успішною реакцією.

Але які одиниці такої продуктивності? Маса реагентів, тобто їх кількість грамів або молей. Тому для визначення виходу реакції необхідно знати грами або молі, які теоретично можна отримати.

Сказане можна уточнити на простому прикладі.

Приклади

Приклад 1

Розглянемо наступну хімічну реакцію:

A + B => C

1gA + 3gB => 4gC

Хімічне рівняння має лише 1 стехіометричні коефіцієнти для видів A, B і C. Оскільки вони є гіпотетичними видами, їх молекулярні або атомні маси невідомі, але масове співвідношення, при якому вони реагують, є; тобто на кожен грам А 3 г В реагують, отримуючи 4 г С (збереження маси).

Тому теоретичний вихід для цієї реакції становить 4 г С, коли 1 г А вступає в реакцію з 3 г В.

Який був би теоретичний вихід, якщо у нас є 9 г А? Щоб його обчислити, просто використовуйте коефіцієнт перетворення, що стосується A і C:

(9g A) ∙ (4g C / 1g A) = 36g C

Зауважимо, що тепер теоретичний вихід становить 36 г С замість 4 г С, оскільки існує більше реагенту А.

Два способи: два повернення

Для вищевказаної реакції є два способи отримання C. Припускаючи, що обидва починають з 9 г А, кожен має власний фактичний вихід. Класичний метод дає можливість отримати 23 г C за 1 годину; при використанні сучасного методу 29 г C можна отримати за півгодини.

Який відсоток виходу для кожного з методів? Знаючи, що теоретичний вихід становить 36 г С, застосовується загальна формула:

% вихід (класичний метод) = (23 г C / 36 г C) ∙ 100%

63,8%

% вихід (сучасний метод) = (29 г C / 36 г C) ∙ 100%

80,5%

За логікою, сучасний метод, отримавши більше грамів С із 9 грам А (плюс 27 грам В), має вихід 80,5%, що перевищує вихід 63,8% класичного способу.

Який із двох методів вибрати? На перший погляд сучасний метод здається більш життєздатним, ніж класичний; Однак в цьому рішенні грають економічний аспект та можливі впливи на навколишнє середовище кожного з них.

Приклад 2

Розглянемо екзотермічну та перспективну реакцію як джерело енергії:

H ₂ + O ₂ => H ₂ O

Зауважте, що, як і в попередньому прикладі, стехіометричні коефіцієнти H ₂ і O ₂ дорівнюють 1. Якщо у вас 70 г H ₂ змішане з 150 г O ₂ , яким буде теоретичний вихід реакції? Який вихід, якщо отримують 10 і 90 г H ₂ O?

Тут невідомо, скільки грам Н ₂ або О ₂ реагують; отже, кроли кожного виду повинні визначатись на цей раз:

Кількість молей H ₂ = (70g) ∙ (моль Н ₂ / 2g)

35 родимок

Кількість молей O ₂ = (150 г) ∙ (моль O ₂ / 32g)

4,69 родимок

Обмежуючим реагентом є кисень, оскільки 1 ммоль H ₂ вступає в реакцію з 1молом O ₂ ; і оскільки існує 4,69 молей O ₂ , то 4,69 молей H _{2 будуть} реагувати . Аналогічно, утворені молі H ₂ O будуть дорівнює 4,69. Отже, теоретичний вихід становить 4,69 молей або 84,42 г H ₂ O (множення молей на молекулярну масу води).

Нестача кисню і надлишок домішок

Якщо виробляється 10 г H ₂ O, вихід буде наступним:

% вихід = (10 г H ₂ O / 84,42 г H ₂ O) ∙ 100%

11,84%

Що мало, тому що величезний об'єм водню змішувався з дуже мало кисню.

І якщо, з іншого боку, виробляється 90 г H ₂ O, вихід буде тепер:

% вихід = (90 г H ₂ O / 84,42 г H ₂ O) ∙ 100%

106,60%

Жоден показник не може бути вищим, ніж теоретичний, тому що-небудь вище 100% - це аномалія. Однак це може бути пов'язано з такими причинами:

-У продукті накопичено інші продукти, викликані побічними чи вторинними реакціями.

-Продукт забруднився під час або в кінці реакції.

У випадку реакції в цьому прикладі перша причина малоймовірна, оскільки іншого продукту, крім води, немає. Друга причина, якщо 90 г води були фактично отримані в таких умовах, вказує на те, що відбулося введення інших газоподібних сполук (таких як CO ₂ і N ₂ ), які помилково зважували разом з водою.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання, стор. 97
2. Гельменстін, Тодд. (2018 р., 15 лютого). Як розрахувати теоретичний вихід хімічної реакції. Відновлено з: thinkco.com
3. Chieh C. (13 червня 2017 р.). Теоретичні та фактичні врожаї. Хімія LibreTexts. Відновлено з: chem.libretexts.org
4. Академія хана. (2018). Обмежуючі реагенти та відсотковий вихід. Відновлено з: khanacademy.org
5. Вступна хімія. (sf). Врожайність. Відновлено з сайту: saylordotorg.github.io
6. Вступний курс із загальної хімії. (sf). Обмеження реагенту та продуктивність. Університет Вальядолід. Відновлено з: eis.uva.es