התשואה התיאורטית של תגובה כימית היא כמות המקסימלי שניתן לקבל מוצר בהנחה טרנספורמציה מוחלטת של המגיבים. כאשר מסיבות קינטיות, תרמודינמיות או ניסיוניות אחד המגיבים מגיב באופן חלקי, התשואה המתקבלת היא פחות מתיאורטית.
מושג זה מאפשר לכם להשוות את הפער בין תגובות כימיות שנכתבו על נייר (משוואות כימיות) לבין מציאות. חלקם עשויים להיראות פשוטים מאוד, אך מורכבים בניסוי ובעלי מניב נמוך; בעוד שאחרים יכולים להיות נרחבים אך פשוטים וביצועים גבוהים כאשר הם מבוצעים.
מקור: Pxhere
לכל התגובות הכימיות וכמויות הריאגנטים יש תשואה תיאורטית. הודות לכך, ניתן לקבוע מידה של יעילות משתני התהליך והלהיטים; ככל שהתשואה גבוהה יותר (וככל שהזמן קצר יותר), כך התנאים שנבחרו לתגובה טובים יותר.
כך, עבור תגובה נתונה, ניתן לבחור טווח טמפרטורה, מהירות ערבוב, זמן וכו 'וניתן לבצע ביצועים מיטביים. מטרתם של מאמצים כאלה היא לקרב את התשואה התיאורטית לתשואה בפועל.
מה התשואה התיאורטית?
התשואה התיאורטית היא כמות המוצר המתקבלת מתגובה בהנחה של המרה של 100%; כלומר, יש לצרוך את כל המגיב המגביל.
אז כל סינתזה צריכה באופן אידיאלי לתת תשואה ניסיונית או אמיתית השווה ל 100%. למרות שזה לא מתרחש, ישנן תגובות עם תשואות גבוהות (> 90%)
זה בא לידי ביטוי באחוזים, וכדי לחשב אותו תחילה עליך לפנות למשוואה הכימית של התגובה. מהסטואיציומטריה נקבע לכמות מסוימת של מגיב מגביל כמה מקורו של המוצר. לאחר מכן, כמות המוצר המתקבלת (תשואה בפועל) מושווה לכמות הערך התיאורטי שנקבע:
תשואה% = (תשואה בפועל / תשואה תיאורטית) ∙ 100%
תשואה% זו מאפשרת להעריך עד כמה התגובה הייתה יעילה בתנאים שנבחרו. הערכים שלהם משתנים באופן דרסטי בהתאם לסוג התגובה. לדוגמה, עבור כמה תגובות תשואה של 50% (מחצית התשואה התיאורטית) יכולה להיחשב כתגובה מוצלחת.
אבל מהן יחידות הביצועים האלה? המסה של המגיבים, כלומר מספר הגרמים או השומות שלהם. לכן, כדי לקבוע את תשואת התגובה, יש לדעת את הגרמים או השומות שניתן תיאורטית להשיג.
ניתן להבהיר את האמור לעיל באמצעות דוגמא פשוטה.
דוגמאות
דוגמא 1
שקול את התגובה הכימית הבאה:
A + B => C
1gA + 3gB => 4gC
במשוואה הכימית יש רק מקדמים סטואיציומטריים עבור המינים A, B ו- C. מכיוון שהם מינים היפותטיים, המוני המולקולרי או האטומי שלהם אינם ידועים, אך יחס המסה בו הם מגיבים זמין; כלומר, עבור כל גרם A, 3 גרם B מגיבים לתת 4 גרם C (שימור המסה).
לכן התשואה התיאורטית לתגובה זו היא 4 גרם C כאשר 1 גרם A מגיב עם 3 גרם B.
מה תהיה התשואה התיאורטית אם יהיה לנו 9 גרם A? כדי לחשב את זה, פשוט השתמש במקדם ההמרה שקשור ל- A ו- C:
(9 גרם A) ∙ (4 גרם צלזיוס / 1 גרם A) = 36 גרם צלזיוס
שימו לב שכעת התשואה התיאורטית היא 36 גרם צלזיוס במקום 4 גרם צלזיוס, מכיוון שיש יותר מגיב A.
שתי שיטות: שתיים מחזירות
לתגובה לעיל ישנן שתי שיטות לייצר C. בהנחה ששניהם מתחילים עם 9 גרם A, לכל אחד יש תשואה ממשית משלו. השיטה הקלאסית מאפשרת להשיג 23 גרם C בפרק זמן של שעה; תוך כדי שימוש בשיטה המודרנית ניתן להשיג 29 גרם C בחצי שעה.
מה התשואה של% לכל אחת מהשיטות? בידיעה שהתשואה התיאורטית היא 36 גרם C, הנוסחה הכללית מיושמת:
תשואה% (שיטה קלאסית) = (23 גרם צלזיוס / 36 גרם צלזיוס) ∙ 100%
63.8%
תשואה% (שיטה מודרנית) = (29 גרם צלזיוס / 36 גרם צלזיוס) ∙ 100%
80.5%
באופן הגיוני, לשיטה המודרנית על ידי מקורם של יותר גרם C מ -9 גרם A (פלוס 27 גרם B) יש תשואה של 80.5%, גבוהה יותר מהתפוקה של 63.8% מהשיטה הקלאסית.
באיזו משתי השיטות לבחור? במבט ראשון השיטה המודרנית נראית קיימא יותר מהשיטה הקלאסית; עם זאת, ההיבט הכלכלי וההשפעות הסביבתיות האפשריות של כל אחת מהן נכנסות לפעולה בהחלטה.
דוגמא 2
התייחס לתגובה אקזוותרמית ומבטיחה כמקור אנרגיה:
H 2 + O 2 => H 2 O
שים לב שכמו בדוגמה הקודמת, המקדמים הסטואיציומטריים של H 2 ו- O 2 הם 1. אם יש לך 70 גרם H 2 מעורבבים עם 150 גרם O 2 , מה תהיה התשואה התיאורטית של התגובה? מה התשואה אם מתקבלים 10 ו- 90 גרם H 2 O?
כאן לא בטוח כמה גרם של H 2 או O 2 מגיבים; לכן יש לקבוע את השומות של כל אחד מהמינים הפעם:
חפרפרות של H 2 = (70g) ∙ (mol H 2 / 2G)
35 שומות
שומות של O 2 = (150 גרם) ∙ (mol O 2 / 32g)
4.69 שומות
המגיב המגביל הוא חמצן, מכיוון ש -1 mol של H 2 מגיב עם 1 mol של O 2 ; ומאז יש 4.69 שומות של O 2 , אז 4.69 שומות של H 2 יהיה להגיב . כמו כן, שומות ה- H 2 O שנוצרו יהיו שוות ל- 4.69. לכן התשואה התיאורטית היא 4.69 mol או 84.42 גרם H 2 O (הכפלת השומות במסה המולקולרית של מים).
מחסור בחמצן ובזיהום עודף
אם מיוצרים 10 גרם H 2 O, התשואה תהיה:
תשואה% = (10 גרם H 2 O / 84.42 גרם H 2 O) ∙ 100%
11.84%
שהוא נמוך מכיוון שנפח ענק של מימן היה מעורבב עם מעט מאוד חמצן.
ואם, לעומת זאת, מיוצרים 90 גרם H 2 O, התשואה תהיה כעת:
תשואה% = (90 גרם H 2 O / 84.42 גרם H 2 O) ∙ 100%
106.60%
אף ביצוע לא יכול להיות גבוה יותר מתיאורטי, ולכן כל דבר שמעל ל 100% הוא אנומליה. עם זאת, זה יכול להיות בגלל הגורמים הבאים:
המוצר צבר מוצרים אחרים הנגרמים כתוצאה מתגובות לוואי או משניות.
-המוצר היה מזוהם במהלך התגובה או בסוף.
במקרה של התגובה בדוגמה זו, הסיבה הראשונה אינה סבירה, מכיוון שאין שום מוצר אחר מלבד מים. הגורם השני, אם 90 גרם מים אכן הושגו בתנאים כאלה, מעיד על כניסתם של תרכובות גזים אחרות (כמו CO 2 ו- N 2 ) שנשקלו בטעות יחד עם המים.
הפניות
- וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). CENGAGE למידה, עמ '97.
- הלמנסטין, טוד. (2018, 15 בפברואר). כיצד לחשב את התשואה התיאורטית של תגובה כימית. התאושש מ: thoughtco.com
- Chieh C. (13 ביוני 2017). תשואות תיאורטיות ואקטואליות. כימיה LibreTexts. התאושש מ: chem.libretexts.org
- האקדמיה לחאן. (2018). מגביל ריאגנטים ואחוז תשואה. התאושש מ: khanacademy.org
- כימיה מבוא. (sf). תשואות. התאושש מ: saylordotorg.github.io
- קורס מבוא בכימיה כללית. (sf). מגביל מגיב וביצועים. אוניברסיטת ולדוליד. התאושש מ: eis.uva.es