TEORETICKÝ VÝKON: Z ČOHO POZOSTÁVA A PRÍKLADY - CHÉMIA - 2026

Teoretický výťažok chemickej reakcie je maximálne množstvo, ktoré je možno získať z produktu za predpokladu úplnej transformácii reaktantov. Ak z kinetických, termodynamických alebo experimentálnych dôvodov jeden z reaktantov čiastočne reaguje, je výsledný výťažok menší ako teoretický.

Tento koncept umožňuje porovnať medzeru medzi chemickými reakciami napísanými na papieri (chemické rovnice) a realitou. Niektoré sa môžu zdať veľmi jednoduché, ale experimentálne zložité a s nízkym výnosom; zatiaľ čo iné môžu byť pri vykonávaní rozsiahle, ale jednoduché a vysoko výkonné.

Zdroj: Pxhere

Všetky chemické reakcie a množstvá činidiel majú teoretický výťažok. Vďaka tomu je možné stanoviť stupeň účinnosti procesných premenných a pozitívnych výsledkov; čím vyšší výťažok (a kratší čas), tým lepšie sú podmienky zvolené pre reakciu.

Pre danú reakciu je teda možné zvoliť teplotný rozsah, rýchlosť miešania, čas atď. A môže sa uskutočniť optimálny výkon. Účelom tohto úsilia je aproximovať teoretický výnos k skutočnému výnosu.

Aký je teoretický výnos?

Teoretický výťažok je množstvo produktu získané reakciou za predpokladu 100% konverzie; to znamená, že musí byť spotrebované všetko limitujúce činidlo.

Každá syntéza by teda mala v ideálnom prípade poskytnúť experimentálny alebo skutočný výťažok rovný 100%. Aj keď sa tak nestane, existujú reakcie s vysokými výťažkami (> 90%).

Vyjadruje sa v percentách a na jej výpočet musíte najprv použiť chemickú rovnicu reakcie. Zo stechiometrie sa pre určité množstvo obmedzujúceho činidla určuje, koľko produktu pochádza. Potom sa množstvo získaného produktu (skutočný výťažok) porovná s množstvom stanovenej teoretickej hodnoty:

% Výnos = (skutočný výnos / teoretický výnos) ∙ 100%

Tento% výťažok umožňuje odhadnúť, ako účinná bola reakcia za zvolených podmienok. Ich hodnoty sa výrazne líšia v závislosti od typu reakcie. Napríklad pri niektorých reakciách sa 50% výťažok (polovica teoretického výťažku) môže považovať za úspešnú reakciu.

Aké sú jednotky takéhoto výkonu? Hmotnosť reaktantov, to znamená ich počet gramov alebo mólov. Preto na stanovenie výťažku reakcie musia byť známe gramy alebo móly, ktoré sa môžu teoreticky získať.

Vyššie uvedené možno objasniť jednoduchým príkladom.

Príklady

Príklad 1

Zvážte nasledujúcu chemickú reakciu:

A + B => C

1gA + 3gB => 4gC

Chemická rovnica má iba 1 stechiometrické koeficienty pre druhy A, B a C. Keďže ide o hypotetický druh, ich molekulová alebo atómová hmotnosť nie je známa, ale je k dispozícii pomer hmotnosti, v ktorom reagujú; to znamená, že na každý gram A reagujú 3 g B za vzniku 4 g C (zachovanie hmotnosti).

Preto teoretický výťažok pre túto reakciu je 4 g C, keď 1 g A reaguje s 3 g B.

Aký by bol teoretický výnos, ak by sme mali 9 g A? Na jej výpočet stačí použiť prevodný faktor, ktorý sa vzťahuje na A a C:

(9 g A) ∙ (4 g C / 1 g A) = 36 g C

Všimnite si, že teraz je teoretický výťažok 36 g C namiesto 4 g C, pretože existuje viac činidla A.

Dve metódy: dva návraty

Pre vyššie uvedenú reakciu existujú dva spôsoby výroby C. Za predpokladu, že obidva sa začínajú 9 g A, každá má svoj vlastný skutočný výťažok. Klasická metóda umožňuje získať 23 g C v priebehu 1 hodiny; pri použití modernej metódy je možné získať 29 g C za pol hodiny.

Aký je percentuálny výnos pre každú z metód? Pri vedomí, že teoretický výťažok je 36 g C, sa použije všeobecný vzorec:

% výťažok (klasická metóda) = (23 g C / 36 g C) ∙ 100%

63,8%

% výťažok (moderná metóda) = (29 g C / 36 g C) ∙ 100%

80,5%

Logicky má moderná metóda získaním viac gramov C z 9 gramov A (plus 27 gramov B) výťažok 80,5%, vyšší ako výťažok 63,8% klasickej metódy.

Ktorú z týchto dvoch metód zvoliť? Na prvý pohľad sa zdá, že moderná metóda je životaschopnejšia ako klasická metóda; V rozhodnutí sa však zohľadňuje ekonomický aspekt a možné vplyvy každého z nich na životné prostredie.

Príklad 2

Zvážte exotermickú a sľubnú reakciu ako zdroj energie:

H ₂ + O ₂ => H ₂ O

Všimnite si, že rovnako ako v predchádzajúcom príklade, stechiometrické koeficienty H ₂ a O ₂ , sú: 1. Ak máte 70 g H _2, v zmesi s 150 g O ₂ , čo bude teoretický výťažok reakcie? Čo je výťažok v prípade, 10 a 90 g H ₂ O sa získa?

Tu nie je isté, koľko gramov H ₂ alebo O ₂ reagovať; preto sa musí tentoraz určiť móly každého druhu:

Mol H ₂ = (70 g) ∙ (mol H ₂ /2 g)

35 mólov

Molí O ₂ = (150 g) ∙ (mol O ₂ /32 g)

4,69 mol

Limitujúcim činidlo je kyslík, pretože 1 mol H ₂ reaguje s 1 mol o O ₂ ; a pretože existuje 4,69 molí O ₂ , potom 4,69 mol H _{sa 2} reagovať . Rovnako tak mol H ₂ O, vytvorené sa rovná 4,69. Preto je teoretický výťažok je 4,69 mólu alebo 84,42 g H ₂ O (násobením mol o molekulovej hmotnosti vody).

Nedostatok kyslíka a prebytočných nečistôt

Ak sa 10 g H- ₂ sa vyrába O, bude výťažok:

% Výťažok = (10 g H ₂ O / 84,42 g H ₂ O) ∙ 100%

11,84%

Čo je nízke, pretože obrovské množstvo vodíka bolo zmiešané s veľmi malým množstvom kyslíka.

A ak je na druhej strane, 90 g H ₂ O sa vyrába , výťažok bude teraz:

% Výťažok = (90 g H ₂ O / 84,42 g H ₂ O) ∙ 100%

106,60%

Žiadny výkon nemôže byť vyšší ako teoretický, takže čokoľvek nad 100% je anomálie. Môže to však byť spôsobené nasledujúcimi príčinami:

- Produkt akumuloval ďalšie produkty spôsobené vedľajšími alebo sekundárnymi reakciami.

- Produkt sa počas reakcie alebo na konci reakcie kontaminoval.

V prípade reakcie v tomto príklade je prvá príčina nepravdepodobná, pretože okrem vody neexistuje žiadny iný produkt. Druhou príčinou, ak 90 g vody, boli v skutočnosti získaný za takých podmienok, ukazuje, že došlo k vstup iných plynných zlúčenín (ako je napríklad CO ₂ a N ₂ ), ktoré boli chybne zváženej spoločne s vodou.

Referencie

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, s. 97.
2. Helmenstine, Todd. (2018, 15. februára). Ako vypočítať teoretický výťažok chemickej reakcie. Získané z: thinkco.com
3. Chieh C. (13. júna 2017). Teoretické a skutočné výnosy. Chémia LibreTexts. Obnovené z: chem.libretexts.org
4. Khan Academy. (2018). Limitné činidlá a percentuálny výťažok. Obnovené z: khanacademy.org
5. Úvodná chémia. (SF). Výnosy. Získané z: saylordotorg.github.io
6. Úvodný kurz všeobecnej chémie. (SF). Obmedzenie činidla a výkonu. University of Valladolid. Získané z: eis.uva.es