Jak obliczyć wydajność reakcji chemicznej?
Wydajność reakcji chemicznej oblicza się jako stosunek rzeczywistej ilości produktu do jego ilości teoretycznej, pomnożony przez 100%. Najpierw trzeba jednak poprawnie ustalić stechiometrię reakcji i substrat ograniczający.
Czym jest wydajność reakcji chemicznej?
Wydajność reakcji chemicznej oznaczana symbolem W określa, jaka część teoretycznie możliwej ilości produktu powstała w doświadczeniu. Ilość produktu może być wyrażona jako masa, liczba moli albo objętość gazu.
Podstawowy wzór wygląda następująco:
W = (ilość rzeczywista produktu / ilość teoretyczna produktu) × 100%
Przy obliczeniach masowych stosuje się zapis:
W = (mr / mt) × 100%
gdzie mr oznacza masę rzeczywistą, a mt – masę teoretyczną produktu. W liczniku i mianowniku muszą występować te same jednostki, na przykład gramy, mole albo decymetry sześcienne.
Wydajność rzadko wynosi 100%, ponieważ część substratów może pozostać nieprzereagowana, mogą powstawać produkty uboczne, a produkt może zostać utracony podczas filtracji, suszenia lub przenoszenia. Katalizator przyspiesza osiągnięcie stanu końcowego, ale sam nie zwiększa końcowej wydajności reakcji.
Jak krok po kroku obliczyć wydajność?
Rozwiązanie zadania możesz uporządkować według następującego algorytmu:
- Zapisz i zbilansuj równanie reakcji. Współczynniki stechiometryczne określają stosunek ilości reagujących substancji.
- Ustal substrat ograniczający. Jest to reagent zużywany jako pierwszy. To jego ilość wyznacza maksymalną, teoretyczną ilość produktu.
- Oblicz teoretyczną ilość produktu. Traktuj reakcję tak, jakby zachodziła ze 100-procentową wydajnością.
- Podstaw dane do wzoru. Podziel ilość produktu otrzymanego w doświadczeniu przez ilość teoretyczną i pomnóż wynik przez 100%.
Jeżeli dane dotyczą różnych wielkości, najpierw je przelicz. Masę zamień na mole za pomocą masy molowej, a objętość gazu na mole zgodnie z warunkami podanymi w zadaniu. Dla warunków normalnych przyjmuje się zwykle, że 1 mol gazu zajmuje 22,4 dm3.
Przykład obliczeniowy
Do roztworu wodorotlenku sodu wprowadzono 3,5 g glinu. W reakcji wydzieliło się 3,9 dm3 wodoru w warunkach normalnych. Oblicz wydajność reakcji.
Równanie reakcji ma postać:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Zakładamy, że wodorotlenek sodu i woda są w nadmiarze, więc substratem ograniczającym jest glin. Najpierw obliczamy teoretyczną objętość wodoru.
Z równania wynika, że:
2 mole Al, czyli 54 g Al, dają 3 mole H2. W warunkach normalnych 3 mole wodoru zajmują:
3 × 22,4 dm3 = 67,2 dm3
Układamy proporcję:
54 g Al – 67,2 dm3 H2
3,5 g Al – x dm3 H2
Otrzymujemy:
Vt = 4,36 dm3
Jest to teoretyczna objętość wodoru. W doświadczeniu otrzymano 3,9 dm3, dlatego:
W = (3,9 dm3 / 4,36 dm3) × 100% ≈ 89%
Reakcja przebiegła z wydajnością około 89%. Najpierw obliczyliśmy ilość produktu dla 100% wydajności, a dopiero potem porównaliśmy ją z wynikiem rzeczywistym.
Wydajność, stopień przereagowania i czystość próbki
Te trzy pojęcia opisują różne sytuacje. Ich pomylenie prowadzi do błędnego wyboru danych w zadaniu.
| Pojęcie | Co opisuje? | Od czego zależy? |
|---|---|---|
| Wydajność reakcji | Ilość otrzymanego produktu w porównaniu z ilością teoretyczną | Przebiegu reakcji, reakcjach ubocznych i stratach produktu |
| Stopień przereagowania | Ubytek określonego substratu podczas reakcji | Ilości substratu, która rzeczywiście została zużyta |
| Czystość próbki | Udział właściwej substancji w badanej próbce | Ilości zanieczyszczeń obecnych w materiale |
Próbka o czystości 80% i masie 10 g zawiera 8 g właściwego reagenta. Dopiero tę masę należy wykorzystać w obliczeniach stechiometrycznych. Nie jest to jednak to samo co wydajność reakcji.
W procesie wieloetapowym wydajność całkowita jest iloczynem wydajności poszczególnych etapów zapisanych jako ułamki. Dla dwóch etapów o wydajności 80% i 70% otrzymujemy:
Wcałk. = 0,80 × 0,70 = 0,56, czyli 56%.
Najczęstsze błędy w obliczeniach
Przed zapisaniem odpowiedzi sprawdź, czy nie popełniłeś któregoś z typowych błędów:
- Nie pomyliłeś masy rzeczywistej z teoretyczną.
- Wszystkie wartości mają spójne jednostki, na przykład gramy albo mole.
- Poprawnie wskazałeś substrat ograniczający.
- Uwzględniłeś czystość próbki, jeżeli została podana w treści zadania.
- Przy gazach zastosowałeś właściwe warunki pomiaru i objętość molową.
- Nie pomyliłeś wydajności reakcji ze stopniem przereagowania.
Najbezpieczniej zapisywać osobno ilość teoretyczną i rzeczywistą produktu. Gdy obie wartości są już wyrażone w tych samych jednostkach, końcowe obliczenie sprowadza się do zastosowania jednego wzoru.
Wydajność reakcji chemicznej oblicza się na podstawie ilości produktu, a nie bezpośrednio na podstawie ilości zużytego substratu. O poprawności wyniku decydują przede wszystkim równanie reakcji, substrat ograniczający i spójność jednostek.
