Допустим, вы украшаете кексы посыпкой. На каждый кекс нужно немного посыпать. У вас есть 12 кексов и две огромные кадки, полные брызг. Это означает, что у вас более чем достаточно кексов, чтобы украсить все кексы, но у вас недостаточно кексов, чтобы израсходовать всю посыпку. Таким образом, результат реакции украшения кексов, который вы здесь предприняли, составляет 12 кексов, и он полностью зависит от количества кексов, которое у вас есть.
Точно так же, когда вы проводите химическую реакцию, количество продукта, которое вы производите, будет зависеть от компонента, которого у вас меньше. Этот компонент называется ограничивающий реагент. После того, как вы выяснили, что такое ограничивающий реагент, вы сможете определить теоретический выход, или сколько продукта вы сможете получить из своих компонентов.
Поиск ограничивающего реагента
Взгляните на следующее химическое уравнение, в котором водород реагирует с азотом с образованием аммиака:
Эта химическая реакция поможет вам выяснить, сколько водорода и азота необходимо для производства аммиака. Проблема в том, что это уравнение не сбалансировано. Итак, сначала сбалансируйте это:
Теперь вы знаете, что на каждые 3 моля водорода приходится 2 моля аммиака. На каждый 1 моль азота получается 2 моля аммиака.
Теперь предположим, что при проведении этой реакции у вас есть 4,5 грамма водорода и 24 грамма аммиака. Какой из них является ограничивающим реагентом?
Чтобы найти это, вам нужно сначала преобразовать количество граммов каждого компонента в моль. Затем вы можете использовать стехиометрическое соотношение, задаваемое сбалансированным уравнением, чтобы определить, какой реагент является ограничивающим.
Чтобы преобразовать массу водорода и аммиака в моль, используйте молярную массу:
Учитывая, что существует 2,2 моля водорода и 0,86 моль азота, что является ограничивающим фактором?
Чтобы выяснить, сколько молей азота необходимо для реакции с 2,2 молями водорода, вы можете использовать стехиометрическое соотношение, задаваемое сбалансированным уравнением:
Это означает, что для использования всех 2,2 моля водорода вам потребуется не менее 0,73 моля азота.
Чтобы выяснить, сколько молей водорода необходимо для реакции с 0,86 молей водорода, вы можете использовать тот же метод:
Это означает, что для использования всех 0,86 моль азота вам потребуется 2,58 моль водорода. Проблема в том, что у вас нет 2,58 моль водорода! Таким образом, водород - это ограничивающий реагент. Когда вы израсходуете весь имеющийся у вас водород, вы не сможете производить больше аммиака. Водород - это то же самое, что и кексы в примере, рассмотренном ранее. После того, как вы украсите все кексы, у вас останутся остатки посыпки.
Определение теоретической доходности
Сколько аммиака будет произведено, если весь водород, который у вас есть, образует аммиак? Это теоретический выход реакции.
Таким образом, используя ограничивающий реагент и стехиометрическое соотношение между реагентом и продуктом, можно обнаружить, что теоретический выход аммиака составляет 1,5 моля.
Но почему это называется теоретический выход? Почему не только урожайность?
Проблема в том, что реакции не всегда происходят так, как вы думаете.
Вернемся к украшению кексов. Представьте, что пока вы украшаете кексы, ваш младший брат или сестра заходит на кухню и крадет кекс, прежде чем вы сможете его украсить. Ну, это на один украшенный кекс, который ты можешь приготовить. Это пример побочная реакция.
Химические реакции почти никогда не бывают идеальными. Обычно возникают побочные реакции, при которых из ваших реагентов получается нечто иное, чем желаемый продукт. В результате количество продукта, которое вы должны произвести, рассчитанное с помощью ограничивающего реагента, называется теоретическим выходом. В действительности ваша доходность, вероятно, будет меньше этой.