Załóżmy, że dekorujesz babeczki posypką. Do każdej babeczki potrzebujesz garści posypek. Masz 12 babeczek i dwie ogromne wanny pełne posypki. Oznacza to, że masz więcej niż wystarczającą ilość posypek, aby udekorować wszystkie babeczki, ale nie masz wystarczająco dużo babeczek, aby zużyć wszystkie swoje posypki. Wydajność reakcji dekorowania babeczek, którą tutaj podjąłeś, wynosi zatem 12 babeczek i jest całkowicie zależna od ilości babeczek, które posiadasz.
W ten sam sposób, kiedy przeprowadzasz reakcję chemiczną, ilość produktu, który wytworzysz, będzie zależeć od składnika, którego masz mniej. Ten składnik nazywa się odczynnik ograniczający. Kiedy już zorientujesz się, co to jest odczynnik ograniczający, możesz dowiedzieć się, co to za wydajność teoretycznalub ile produktu będziesz w stanie uzyskać ze swoich komponentów.
Znalezienie odczynnika ograniczającego
Spójrz na następujące równanie chemiczne, w którym wodór reagował z azotem w celu wytworzenia amoniaku:
Ta reakcja chemiczna pomoże ci dowiedzieć się, ile wodoru i azotu potrzeba do wytworzenia amoniaku. Problem w tym, że to równanie nie jest zrównoważone. Więc najpierw zrównoważ to:
Wiesz już, że na każde 3 mole wodoru powstają 2 mole amoniaku. Na każdy 1 mol azotu wytwarzasz 2 mole amoniaku.
Powiedzmy, że podczas tej reakcji masz 4,5 grama wodoru i 24 gramy amoniaku. Który z nich jest ograniczającym reagentem?
Aby to znaleźć, musisz najpierw przeliczyć liczbę gramów każdego składnika na mole. Następnie możesz użyć stosunku stechiometrycznego podanego przez zrównoważone równanie, aby znaleźć, który reagent jest ograniczający.
Aby przeliczyć masę wodoru i amoniaku na mole, użyj masy molowej:
Biorąc pod uwagę, że jest 2,2 mola wodoru i 0,86 mola azotu, co jest ograniczeniem?
Aby obliczyć, ile moli azotu potrzeba do przereagowania z 2,2 molami wodoru, możesz skorzystać ze stosunku stechiometrycznego podanego przez zrównoważone równanie:
Oznacza to, że aby zużyć całe 2,2 mola wodoru, potrzeba co najmniej 0,73 mola azotu.
Aby obliczyć, ile moli wodoru potrzeba do przereagowania z 0,86 molami wodoru, możesz użyć tej samej metody:
Oznacza to, że aby zużyć całe 0,86 mola azotu, potrzeba 2,58 mola wodoru. Problem w tym, że nie masz 2,58 mola wodoru! Zatem wodór jest odczynnik ograniczający. Gdy zużyjesz cały wodór, nie możesz wytworzyć więcej amoniaku. Wodór jest taki sam jak babeczki w omówionym wcześniej przykładzie. Po udekorowaniu wszystkich babeczek będziesz miał resztki posypki.
Znalezienie teoretycznej wydajności
Ile wytworzy się amoniak, jeśli cały wodór, który posiadasz, przereaguje, tworząc amoniak? Jest to teoretyczna wydajność reakcji.
Tak więc, używając odczynnika ograniczającego i stosunku stechiometrycznego między reagentem a produktem, można stwierdzić, że teoretyczna wydajność amoniaku wynosi 1,5 mola.
Ale dlaczego nazywa się to wydajność teoretyczna? Dlaczego nie tylko plon?
Problem polega na tym, że reakcje nie zawsze przebiegają tak, jak myślisz.
Wróćmy do dekorowania babeczek. Wyobraź sobie, że podczas dekorowania babeczek, twoje młodsze rodzeństwo wchodzi do kuchni i kradnie babeczkę, zanim będziesz mógł ją udekorować. Cóż, to o jedną dekorowaną babeczkę mniej, którą możesz zrobić. To jest przykład reakcja uboczna.
Reakcje chemiczne prawie nigdy nie są doskonałe. Zwykle są reakcje uboczne, które wykorzystują twoje reagenty do wytworzenia czegoś innego niż pożądany produkt. W rezultacie ilość produktu, którą można wytworzyć obliczoną przez odczynnik ograniczający, nazywa się wydajnością teoretyczną. W rzeczywistości twoja wydajność będzie prawdopodobnie mniejsza niż ta.