Ako vypočítať teoretický výťažok: 12 krokov (s obrázkami)

Teoretický výťažok je termín používaný v chémii na opis maximálneho množstva produktu, ktoré by podľa vašich očakávaní mohlo vzniknúť chemickou reakciou. Musíte začať vyváženou chemickou rovnicou a definovať limitujúci reaktant. Keď odmeriate množstvo toho reaktantu, ktorý použijete, môžete vypočítať množstvo produktu. Toto je teoretický výnos rovnice. V skutočnom experimente pravdepodobne stratíte časť v dôsledku neúčinnosti samotného experimentu.

Obsah

Časť 1 z 2:Hľadanie limitného reaktantu

Začnite s vyváženou chemickou rovnicou. Chemická rovnica je ako recept. Zobrazuje reaktanty (na ľavej strane), ktoré reagujú za vzniku produktov (na pravej strane). V správne vyváženej rovnici sa zobrazí rovnaký počet atómov, ktoré do rovnice vstupujú ako reaktanty, ako počet atómov, ktoré z nej vystupujú vo forme produktov.[1]

Uvažujme napríklad jednoduchú rovnicu
$H_{2}+O_{2}$
→
$H_{2}O$
. Vľavo aj vpravo sú dva atómy vodíka. Ale vpravo sú dva atómy kyslíka, ktoré vstupujú ako reaktant, a v produkte je len jeden atóm.
Ak chcete vyvážiť, zdvojnásobte súčin, aby ste dostali
$H_{2}+O_{2}$
→
$2H_{2}O$
.
Skontrolujte váhu. Táto zmena opravila kyslík, ktorý má teraz dva atómy na oboch stranách. Teraz však máte dva atómy vodíka na ľavej strane a štyri atómy vodíka na pravej strane.
Dvojnásobok vodíka v reaktante. Tým sa rovnica upraví na
$2H_{2}+O_{2}$
→
$2H_{2}O$
. Táto zmena má teraz na oboch stranách 4 atómy vodíka a dva atómy kyslíka. Rovnica je vyvážená.
Ako zložitejší príklad možno uviesť reakciu kyslíka a glukózy za vzniku oxidu uhličitého a vody:
$6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$
→
$6CO_{2}+6H_{2}O$
V tejto rovnici má každá strana presne 6 atómov uhlíka (C), 12 atómov vodíka (H) a 18 atómov kyslíka (O). Rovnica je vyvážená.
Ak si chcete dôkladnejšie preštudovať vyrovnávanie chemických rovníc, prečítajte si túto príručku.

Vypočítajte molárnu hmotnosť každého reaktantu. Pomocou periodickej tabuľky alebo iného odkazu vyhľadajte molárnu hmotnosť každého atómu v každej zlúčenine. Sčítaním zistíte molárnu hmotnosť každej zlúčeniny reaktantu. Urobte to pre jednu molekulu zlúčeniny. Uvažujme opäť rovnicu premeny kyslíka a glukózy na oxid uhličitý a vodu:

6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}

→

6CO_{2}+6H_{2}O

[2]

V tomto príklade jedna molekula kyslíka (
$O_{2}$
) obsahuje dva atómy kyslíka.
Molárna hmotnosť jedného atómu kyslíka je približne 16 g/mol. V prípade potreby môžete nájsť presnejšie hodnoty.)
2 atómy kyslíka x 16 g/mol na atóm = 32 g/mol
$O_{2}$
.
Druhý reaktant, glukóza (
$C_{6}H_{12}O_{6}$
) má molárnu hmotnosť (6 atómov C x 12 g C/mol) + (12 atómov H x 1 g H/mol) + (6 atómov O x 16 g O/mol) = 180 g/mol.
Ak chcete tento krok preskúmať podrobnejšie, môžete si prečítať Výpočet molárnej hmotnosti.

Preveďte množstvo každého reaktantu z gramov na móly. Pri skutočnom experimente budete poznať hmotnosť v gramoch každého reaktantu, ktorý používate. Túto hodnotu vydeľte molárnou hmotnosťou danej zlúčeniny, aby ste množstvo prepočítali na móly.[3]

Predpokladajme napríklad, že máte 40 gramov kyslíka a 25 gramov glukózy.
40 g
$O_{2}$
/ (32 g/mol) = 1.25 molov kyslíka.
25g
$C_{6}H_{12}O_{6}$
/ (180 g/mol) = približne 0.139 molov glukózy.

Určte molárny pomer reaktantov. Mol je nástroj používaný v chémii na počítanie molekúl na základe ich hmotnosti. Určením počtu mólov kyslíka aj glukózy viete, s koľkými molekulami každého z nich začínate. Ak chcete zistiť pomer medzi oboma reaktantmi, vydeľte počet molov jedného reaktantu počtom molov druhého reaktantu.[4]

V tomto príklade začínate s číslom 1.25 molov kyslíka a 0.139 molov glukózy. Pomer molekúl kyslíka a glukózy je teda 1.25 / 0.139 = 9.0. Tento pomer znamená, že máte 9-krát viac molekúl kyslíka ako molekúl glukózy.

Nájdite ideálny pomer pre reakciu. Pozrite sa na vyváženú rovnicu pre túto reakciu. Koeficienty pred každou molekulou udávajú pomer molekúl, ktoré potrebujete na to, aby reakcia prebehla. Ak použijete presne taký pomer, aký je uvedený vo vzorci, potom by sa mali obe reaktanty použiť rovnako.[5]

Pre túto reakciu sú reaktanty dané ako
$6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$
. Koeficienty naznačujú, že na každú 1 molekulu glukózy potrebujete 6 molekúl kyslíka. Ideálny pomer pre túto reakciu je 6 kyslíka / 1 glukóza = 6.0.

Porovnajte pomery a nájdite limitujúci reaktant. Pri väčšine chemických reakcií sa jedna z reaktantov spotrebuje skôr ako ostatné. Reaktant, ktorý sa spotrebuje ako prvý, sa nazýva limitujúci reaktant. Tento limitujúci reaktant určuje, ako dlho môže chemická reakcia prebiehať a aký teoretický výťažok môžete očakávať. Porovnajte dva pomery, ktoré ste vypočítali, aby ste určili limitujúci reaktant: [6]

V tomto príklade začínate s 9-krát väčším množstvom kyslíka ako glukózy, ak sa meria počtom molov. Vzorec vám hovorí, že ideálny pomer je 6-krát viac kyslíka ako glukózy. Preto máte viac kyslíka, ako je potrebné. Druhý reaktant, v tomto prípade glukóza, je teda limitujúcim reaktantom.

Časť 2 z 2:Určenie teoretického výťažku

Preskúmajte reakciu a nájdite požadovaný produkt. Pravá strana chemickej rovnice zobrazuje produkty, ktoré vznikli reakciou. Koeficienty jednotlivých produktov, ak je reakcia vyvážená, hovoria o očakávanom množstve v molekulových pomeroch. Každý produkt má teoretický výťažok, čo znamená množstvo produktu, ktoré by ste očakávali, že dostanete, ak je reakcia dokonale účinná.[7]

Pokračujúc vo vyššie uvedenom príklade, analyzujete reakciu
$6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$
→
$6CO_{2}+6H_{2}O$
. Dva produkty uvedené vpravo sú oxid uhličitý a voda.
Pri výpočte teoretického výťažku môžete začať s ktorýmkoľvek produktom. V niektorých prípadoch vás môže zaujímať len jeden alebo druhý produkt. Ak je to tak, tak by ste mali začať s touto hodnotou.

Zapíšte počet molov limitujúceho reaktantu. Vždy musíte porovnať móly reaktantu s mólami produktu. Ak sa pokúsite porovnať hmotnosť každého z nich, nedosiahnete správne výsledky.[8]

V uvedenom príklade je limitujúcim reaktantom glukóza. Výpočtom molárnej hmotnosti sa zistilo, že počiatočných 25 g glukózy sa rovná 0.139 molov glukózy.

Porovnajte pomer molekúl v produkte a reaktante. Návrat k vyváženej rovnici. Vydelte počet molekúl vášho požadovaného produktu počtom molekúl vášho limitujúceho reaktantu.

Vyvážená rovnica pre tento príklad je
$6O_{2}+C_{6}H_{12}O_{6}$
→
$6CO_{2}+6H_{2}O$
. Táto rovnica vám hovorí, že očakávate 6 molekúl požadovaného produktu, oxidu uhličitého (
$CO_{2}$
) v porovnaní s 1 molekulou glukózy (
$C_{6}H_{12}O_{6}$
).
Pomer oxidu uhličitého a glukózy je 6/1 = 6. Inými slovami, pri tejto reakcii môže z jednej molekuly glukózy vzniknúť 6 molekúl oxidu uhličitého.

Vynásobte tento pomer množstvom limitujúceho reaktantu v móloch. Odpoveďou je teoretický výťažok požadovaného produktu v móloch.

V tomto príklade sa 25 g glukózy rovná 0.139 molov glukózy. Pomer oxidu uhličitého a glukózy je 6:1. Očakávate, že sa vytvorí šesťkrát viac molekúl oxidu uhličitého, ako máte glukózy na začiatku.
Teoretický výťažok oxidu uhličitého je (0.139 molov glukózy) x (6 molov oxidu uhličitého/mol glukózy) = 0.834 molov oxidu uhličitého.

Prepočítajte výsledok na gramy. Toto je opačný postup ako pri predchádzajúcom kroku výpočtu počtu mólov alebo reaktantu. Keď poznáte očakávaný počet molov, vynásobíte ho molárnou hmotnosťou produktu, aby ste zistili teoretický výťažok v gramoch.[9]

V tomto príklade je molárna hmotnosť CO₂ je približne 44 g/mol. (Molárna hmotnosť uhlíka je ~12 g/mol a kyslíka ~16 g/mol, takže celková hmotnosť je 12 + 16 + 16 = 44.)
Vynásobte 0.834 molov CO₂ x 44 g/mol CO₂ = ~36.7 gramov. Teoretický výťažok experimentu je 36.7 g CO₂.

V prípade potreby zopakujte výpočet pre druhý produkt. Pri mnohých experimentoch vás môže zaujímať len výťažok jedného produktu. Ak chcete zistiť teoretický výťažok oboch produktov, stačí zopakovať postup.

V tomto príklade je druhým produktom voda,
$H_{2}O$
. Podľa vyváženej rovnice očakávame, že z 1 molekuly glukózy vznikne 6 molekúl vody. Ide o pomer 6:1. Teda počnúc 0.Výsledkom 139 molov glukózy by malo byť 0.834 molov vody.
Vynásobte počet molov vody molárnou hmotnosťou vody. Molárna hmotnosť je 2 + 16 = 18 g/mol. Vynásobením súčinom dostaneme hodnotu 0.834 molov H₂O x 18 g/mol H₂O = ~15 gramov. Teoretický výťažok vody pri tomto pokuse je 15 gramov.