Kalkulator teoretycznej wydajności reakcji

Omni kalkulator teoretycznej wydajności reakcji odpowie na wszystkie twoje pytania dotyczące tego, jak obliczyć wydajność teoretyczną, np. jak znaleźć wydajność teoretyczną, jaka jest definicja teoretycznej wydajności i jaki jest wzór na obliczenie teoretycznej wydajności reakcji.

Przed wykonaniem jakiejkolwiek pracy laboratoryjnej należy obliczyć teoretyczną wydajność, aby wiedzieć, ile produktu, czy to jednego rodzaju cząsteczki, czy pewnej mieszaniny, można oczekiwać z danej ilości materiału wyjściowego. Pozwoli ci to ustalić, z jaką wydajnością przebiegła reakcja (wartość, którą możesz znaleźć w kalkulatorze rzeczywistej wydajności reakcji 🇺🇸), co odbywa się poprzez obliczenie procentowej wydajności. Możesz także użyć równania teoretycznej wydajności, aby upewnić się, że prowadzisz reakcję mając równą liczbę moli reagentów, dzięki czemu żadna cząsteczka nie zostanie zmarnowana.

WAŻNA UWAGA: Wydajność można znaleźć tylko przy użyciu odczynnika ograniczającego. Jeśli nie masz pewności, który z odczynników jest ograniczający, wprowadzaj odczynniki pojedynczo, a ten, który daje najmniejszą liczbę moli, jest odczynnikiem ograniczającym. Pamiętaj, aby nacisnąć przycisk odświeżania u dołu kalkulatora, aby go zresetować.

Co to jest wydajność teoretyczna reakcji? Jest to ilość produktu, która powstałaby, gdyby reakcja była w 100% wydajna. Jak zatem osiągnąć 100% wydajności? Cóż, oznaczałoby to, że każda cząsteczka zareagowała prawidłowo (tj. nie powstały żadne produkty uboczne) na każdym etapie i że żadna cząsteczka nie pozostała na ściance szklanego naczynia.

Ponieważ normalna reakcja dotyczy tryliardów cząsteczek lub atomów, powinno być oczywiste, że niektóre z tych cząsteczek zostaną utracone. Dlatego też procentowa wydajność nigdy nie będzie równa 100%, ale nadal warto ją znać jako miernik wydajności reakcji. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w naszym kalkulatorze wydajności procentowej reakcji (link powyżej). Dowiedz się, jak obliczyć wydajność teoretyczną reakcji za pomocą poniższego równania wydajności teoretycznej!

Użycie równania teoretycznej wydajności reakcji pomaga znaleźć teoretyczną wydajność, znając liczbę moli ograniczającego odczynnika, przy założeniu 100% wydajności. Aby nie zastanawiać się dłużej, jak znaleźć teoretyczną wydajność, podamy ci wzór na teoretyczną wydajność:

gdzie:

• $m_{\text{produkt}}$ — masa produktu,
• $M_{\text{mol},\text{produkt}}$ — masa molowa pożądanego produktu,
• $n_{\text{ogr}}$ — liczba moli odczynnika ograniczającego, oraz
• $c$ — stechiometria pożądanego produktu.

Liczba moli odczynnika ograniczającego w reakcji jest równa:

gdzie:

• $n_{\text{ogr}}$ — liczba moli odczynnika ograniczającego
• $m_{\text{ogr}}$ — masa odczynnika ograniczającego
• $M_{\text{mol},\text{ogr}}$ — masa molowa odczynnika ograniczającego, oraz
• $c_{\text{ogr}}$ — stechiometria odczynnika ograniczającego.

Stechiometria jest definiowana jako liczba znajdująca się przed wzorem chemicznym, gdy reakcja jest uzgodniona. Jeśli nie ma żadnej liczby, stechiometria wynosi 1. Stechiometria jest potrzebna do odzwierciedlenia proporcji cząsteczek, które łączą się w celu utworzenia produktu reakcji.

Zaletą naszego kalkulatora jest to, że można go używać w dowolny sposób, tzn. w celu znalezienia masy reagentów potrzebnych do wytworzenia określonej masy produktu. Wszystkie te informacje są ukryte w liczbie moli, którą można wyprowadzić z molarności lub stężenia roztworu (możesz dowiedzieć się, jak to zrobić za pomocą naszego kalkulatora molarności i Omni kalkulatora stężenia).

Wzór na wydajność teoretyczną reakcji może wydawać się trudny do zrozumienia, dlatego przedstawimy ci krótki przewodnik, który pomoże obliczyć wydajność teoretyczną. Potrzebne dane to masa odczynników, ich masy molowe, stechiometria reakcji (znaleziona na podstawie uzgodnionego równania) oraz masa molowa pożądanego produktu. Nie musisz szukać dalej, aby dowiedzieć się, jak znaleźć teoretyczną wydajność:

1. Najpierw oblicz liczbę moli ograniczającego odczynnika. Robimy to za pomocą drugiego równania w sekcji wzoru na teoretyczną wydajność reakcji (wskazówka: upewnij się, że jednostki masy są takie same, aby uzyskać prawidłowe wyniki: możesz użyć przelicznika masy 🇺🇸, jeśli potrzebujesz pomocy ze współczynnikami).

2. Wybierz reagent z najmniejszą liczbą moli, biorąc pod uwagę stechiometrię. Jest to odczynnik ograniczający. Jeśli oba mają taką samą liczbę moli, możesz użyć dowolnego z nich.

3. Użyj pierwszego równania, aby znaleźć masę pożądanego produktu w tych samych jednostkach, w których znajdowały się reagenty.

I gotowe! Jeśli nadal masz trudności, sprawdź poniższe przykłady, aby uzyskać bardziej praktyczne podejście.

Czas na kilka przykładów. Załóżmy, że przeprowadzasz reakcję addycji nukleofilowej, tworząc hydroksyacetonitryl z cyjanku sodu i acetonu.

Zignorujmy rozpuszczalniki pod strzałką (oba będą obecne w nadmiarze, a zatem nie będą odczynnikami ograniczającymi), a także kation sodu pochodzący z cyjanku sodu, ponieważ jest to tylko jon widmowy. Jeśli przereagujemy $5\ \text{g}$ acetonu z $2\ \text{g}$ cyjanku, jaka jest teoretyczna wydajność syntezy hydroksyacetonitrylu?

1. Najpierw musimy obliczyć ilość odczynnika ograniczającego. Ponieważ stechiometria obu reagentów wynosi 1 (tj. jedna cząsteczka acetonu reaguje z jedną cząsteczką cyjanku), możemy po prostu użyć równania masa = masa molowa ⋅ mol, aby to znaleźć:

   • Przekształćmy równanie, aby znaleźć liczbę moli. To nam daje:
     $\small\text{mol} = \text{masa}/\text{masa molowa}$

   • Aceton ma masę molową $58\ \text{g}/\text{mol}$, więc:
     $\small\text{mole} = 5 / 58 = 0,\!862\ \text{mola}$

   • Cyjanek ma masę molową $26\ \text{g}/\text{mol}$, więc:
     $\small\text{mole} = 2 / 26 = 0,\!0769\ \text{mola}$

   • A zatem jest mniej moli cyjanku, co oznacza, że jest to odczynnik ograniczający.

2. Znajomość odczynnika ograniczającego i jego liczby moli oznacza, że wiemy, ile moli utworzy produkt. Ponieważ stechiometria produktu wynosi $1$, powstanie $0,\!0769$ mola.

3. Możemy ponownie użyć wzoru $\small\text{masa} = \text{masa molowa} \cdot \text{liczba moli}$, aby określić teoretyczną masę produktu. Masa molowa hydroksyacetonitrylu wynosi $85\ \text{g}/\text{mol}$:

Teraz wiemy, że gdybyśmy przeprowadzili reakcję, spodziewalibyśmy się $6,\!54\ \text{g}$ hydroksyacetonitrylu. Nieźle, prawda?

Załóżmy, że próbujesz zsyntetyzować aceton do wykorzystania w powyższej reakcji.

Do reakcji używasz $8\ \text{g}$ węglanu wapnia ($100\ \text{g}/\text{mol}$) z $9\ \text{g}$ kwasu octowego ($60\ \text{g}/\text{mol}$) i chcesz wiedzieć, ile powstanie acetonu?

1. Po raz kolejny musimy najpierw ustalić, który odczynnik jest ograniczający. Ponownie użyjmy równania $\small\text{masa} = \text{masa molowa}\cdot \text{liczba moli}$:

   • Przekształćmy równanie, aby znaleźć liczbę moli. To nam daje:
     $\small\text{mole} = \text{masa} / \text{masa molowa}$

   • Znajdźmy liczbę moli kwasu octowego:
     $\small\text{mole} = 9 / 60 = 0,\!15\ \text{mola}$

   • I mole węglanu wapnia:
     $\small\text{mole} = 8 / 100 = 0,\!08\ \text{mola}$

   • Wygląda na to, że węglan wapnia jest odczynnikiem ograniczającym. Ale zaraz, zaraz! Nie wzięliśmy pod uwagę stechiometrii. Ponieważ potrzebujemy 2 cząsteczek kwasu octowego do utworzenia jednej cząsteczki acetonu, musimy jeszcze podzielić liczbę moli kwasu octowego przez $2$:
     $\small\text{mole} = 0,15 / 2 = 0,\!075\ \text{mola}$

   • Okazuje się więc, że to kwas octowy jest odczynnikiem ograniczającym!.

2. Teraz gdy znamy ograniczający odczynnik i jego liczbę moli, wiemy ile moli produktu powstanie. Ponieważ stechiometria produktu wynosi $1$, powstanie $0,\!075$ mola.

3. Użyj równania $\small\text{masa} = \text{masa molowa}\cdot\text{mole}$, aby określić teoretyczną masę produktu. Masa molowa acetonu wynosi $58\ \text{g}/\text{mol}$:

   $\text{masa} = 58 \cdot 0,\!075 = 4,\!35\ \text{g}$

Teoretycznie więc z tej reakcji powinniśmy otrzymać $4,\!35\ \text{g}$ acetonu. Nieźle!

A teraz ruszaj na podbój świata teoretycznych obliczeń wydajności reakcji, dasz radę!