Hiệu suất lý thuyết trong những gì nó bao gồm và các ví dụ

các hiệu suất lý thuyết của một phản ứng hóa học là lượng tối đa có thể thu được từ một sản phẩm giả định sự biến đổi hoàn toàn của các chất phản ứng. Khi vì lý do động học, nhiệt động hoặc thực nghiệm, một trong những chất phản ứng phản ứng một phần, năng suất thu được thấp hơn so với lý thuyết.

Khái niệm này cho phép so sánh khoảng cách giữa các phản ứng hóa học được viết trên giấy (phương trình hóa học) và thực tế. Một số có thể trông rất đơn giản, nhưng thực nghiệm phức tạp và năng suất thấp; trong khi những người khác, có thể mở rộng nhưng đơn giản và hiệu suất cao để làm cho họ.

Tất cả các phản ứng hóa học và số lượng thuốc thử có năng suất lý thuyết. Nhờ điều này, một mức độ hiệu quả của các biến quy trình và những thành công có thể được thiết lập; năng suất càng cao (và thời gian càng ngắn), điều kiện được chọn cho phản ứng càng tốt.

Do đó, đối với một phản ứng nhất định, bạn có thể chọn một phạm vi nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, thời gian, v.v. và thực hiện một hiệu suất tối ưu. Mục đích của những nỗ lực này là để ước tính hiệu suất lý thuyết với hiệu suất thực tế.

Chỉ số

• 1 năng suất lý thuyết là gì?
• 2 ví dụ
  • 2.1 Ví dụ 1
  • 2.2 Ví dụ 2
• 3 tài liệu tham khảo

Hiệu suất lý thuyết là gì?

Năng suất lý thuyết là lượng sản phẩm thu được từ phản ứng giả định chuyển đổi 100%; đó là, tất cả các thuốc thử hạn chế phải được tiêu thụ.

Sau đó, tất cả các tổng hợp lý tưởng nên cung cấp một hiệu suất thử nghiệm hoặc thực tế bằng 100%. Mặc dù điều này không xảy ra, nhưng có những phản ứng với năng suất cao (> 90%)

Nó được biểu thị bằng tỷ lệ phần trăm và để tính toán nó trước tiên, bạn phải sử dụng phương trình hóa học của phản ứng. Từ phép cân bằng hóa học, nó được xác định cho một lượng thuốc thử giới hạn nhất định có bao nhiêu sản phẩm có nguồn gốc. Sau đó, khi điều này được thực hiện, số lượng sản phẩm thu được (năng suất thực tế) được so sánh với giá trị lý thuyết xác định:

Hiệu suất% = (Hiệu suất thực tế / Hiệu suất lý thuyết) 100%

Hiệu suất% này cho phép chúng tôi ước tính mức độ hiệu quả của phản ứng trong các điều kiện đã chọn. Giá trị của chúng dao động mạnh tùy thuộc vào loại phản ứng. Ví dụ, đối với một số phản ứng, hiệu suất 50% (một nửa năng suất lý thuyết) có thể được coi là một phản ứng thành công.

Nhưng các đơn vị của hiệu suất như vậy là gì? Khối lượng của thuốc thử, nghĩa là, số gam hoặc mol. Do đó, để xác định hiệu suất của phản ứng phải biết số gam hoặc mol có thể thu được theo lý thuyết.

Trên đây có thể được làm rõ với một ví dụ đơn giản.

Ví dụ

Ví dụ 1

Xét các phản ứng hóa học sau:

A + B => C

1gA + 3gB => 4gC

Phương trình hóa học chỉ có hệ số cân bằng hóa học 1 đối với các loài A, B và C. Vì chúng là các loài giả thuyết, khối lượng phân tử hoặc nguyên tử của chúng chưa được biết, nhưng tỷ lệ khối lượng mà chúng phản ứng nằm trong tầm tay; nghĩa là cứ mỗi gam A, 3 g B phản ứng tạo ra 4 g C (bảo toàn khối lượng).

Do đó, năng suất lý thuyết cho phản ứng này là 4 g C khi 1g A phản ứng với 3g B.

Năng suất lý thuyết sẽ là bao nhiêu nếu bạn có 9g A? Để tính toán, việc sử dụng hệ số chuyển đổi có liên quan đến A và C là đủ:

(9g A) (4g C / 1g A) = 36g C

Lưu ý rằng bây giờ năng suất lý thuyết là 36 g C thay vì 4 g C, vì nó có nhiều thuốc thử A hơn.

Hai phương pháp: hai sản lượng

Đối với phản ứng trên, có hai phương pháp để tạo ra C. Giả sử cả hai đều bắt đầu bằng 9g A, mỗi phương pháp có hiệu suất thực sự riêng. Phương pháp cổ điển cho phép thu được 23 g C trong khoảng thời gian 1 giờ; Trong khi sử dụng phương pháp hiện đại, bạn có thể nhận được 29 g C trong nửa giờ.

% Năng suất cho mỗi phương pháp là gì? Biết rằng năng suất lý thuyết là 36 g C, chúng tôi tiến hành áp dụng công thức chung:

Hiệu suất% (phương pháp cổ điển) = (23g C / 36g C) 100%

63,8%

Hiệu suất% (phương pháp hiện đại) = (29g C / 36g C) 100%

80,5%

Theo logic, phương pháp hiện đại để tạo ra nhiều gam C hơn từ 9 gam A (cộng thêm 27 gam B) có năng suất 80,5%, cao hơn năng suất 63,8% của phương pháp cổ điển.

Lựa chọn nào trong hai phương pháp? Thoạt nhìn, phương pháp hiện đại có vẻ khả thi hơn phương pháp cổ điển; Tuy nhiên, khía cạnh kinh tế và các tác động môi trường có thể có của mỗi người đi vào quyết định.

Ví dụ 2

Coi phản ứng tỏa nhiệt và hứa hẹn là nguồn năng lượng:

H₂ + Ôi₂ => H₂Ôi

Lưu ý rằng, như trong ví dụ trước, các hệ số cân bằng hóa học của H₂ và O₂ họ là 1. Bạn có 70g H₂ trộn với 150g O₂, Điều gì sẽ là năng suất lý thuyết của phản ứng? Năng suất là bao nhiêu nếu bạn nhận được 10 và 90g H₂Ôi?

Ở đây không chắc có bao nhiêu gam H₂ hoặc O₂ họ phản ứng; do đó, nốt ruồi của mỗi loài phải được xác định lần này:

Nốt ruồi₂= (70g) ∙ (mol H₂/ 2g)

35 nốt ruồi

Nốt ruồi₂= (150g) ∙ (mol O₂/ 32g)

4,69 nốt ruồi

Thuốc thử hạn chế là oxy, vì 1mol H₂ phản ứng với 1mol O₂; và có 4,69 mol O₂, sau đó 4,69 mol H sẽ phản ứng₂. Ngoài ra, nốt ruồi của H₂Hoặc hình thành sẽ bằng 4,69. Do đó, năng suất lý thuyết là 4,69 mol hoặc 84,42g H₂O (nhân số mol với khối lượng phân tử của nước).

Thiếu oxy và tạp chất dư thừa

Nếu 10g H được sản xuất₂Hoặc, hiệu suất sẽ là:

Hiệu suất% = (10g H₂O / 84,42g H₂O) 100%

11,84%

Đó là thấp vì một khối lượng lớn hydro được trộn với rất ít oxy.

Và nếu, mặt khác, 90g H được sản xuất₂Hoặc, hiệu suất bây giờ sẽ là:

Hiệu suất% = (90g H₂O / 84,42g H₂O) 100%

106,60%

Không có hiệu suất có thể lớn hơn lý thuyết, vì vậy bất kỳ giá trị nào trên 100% là bất thường. Tuy nhiên, nó có thể là do các nguyên nhân sau:

-Sản phẩm tích lũy các sản phẩm khác gây ra bởi phản ứng bên hoặc phụ.

-Sản phẩm bị nhiễm bẩn trong hoặc cuối phản ứng.

Trong trường hợp phản ứng của ví dụ này, nguyên nhân đầu tiên là không thể xảy ra, vì không có sản phẩm nào khác ngoài nước. Nguyên nhân thứ hai, nếu bạn thực sự nhận được 90g nước trong điều kiện như vậy, chỉ ra rằng có một sự xâm nhập của các hợp chất khí khác (như CO₂ và N₂) đã bị cân nặng cùng với nước.

Tài liệu tham khảo

1. Whites, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học (Tái bản lần thứ 8). Học tập CENGAGE, trang 97.
2. Helmenstine, Todd. (Ngày 15 tháng 2 năm 2018). Cách tính năng suất lý thuyết của phản ứng hóa học. Lấy từ: thinkco.com
3. Chieh C. (ngày 13 tháng 6 năm 2017). Năng suất lý thuyết và thực tế. Hóa học LibreTexts. Lấy từ: chem.libretexts.org
4. Học viện Khan. (2018). Thuốc thử hạn chế và năng suất phần trăm. Lấy từ: khanacademy.org
5. Nhập môn Hóa học. (s.f.). Sản lượng. Lấy từ: saylordotorg.github.io
6. Khóa học giới thiệu về hóa học nói chung. (s.f.). Hạn chế thuốc thử và hiệu suất. Đại học Valladolid. Lấy từ: eis.uva.es