ประสิทธิภาพทางทฤษฎีประกอบด้วยอะไรบ้างและเป็นตัวอย่าง - เคมี

ผลผลิตทางทฤษฎีของปฏิกิริยาทางเคมีเป็นปริมาณสูงสุดที่สามารถจะได้รับจากผลิตภัณฑ์สมมติว่าการเปลี่ยนแปลงที่สมบูรณ์ของสารตั้งต้น เมื่อเหตุผลทางจลศาสตร์อุณหพลศาสตร์หรือการทดลองหนึ่งในสารตั้งต้นทำปฏิกิริยาบางส่วนผลผลิตที่ได้จะน้อยกว่าทางทฤษฎี

แนวคิดนี้ช่วยให้คุณสามารถเปรียบเทียบช่องว่างระหว่างปฏิกิริยาเคมีที่เขียนบนกระดาษ (สมการเคมี) กับความเป็นจริง บางอย่างอาจดูเรียบง่าย แต่มีความซับซ้อนในการทดลองและให้ผลตอบแทนต่ำ ในขณะที่คนอื่น ๆ สามารถทำได้กว้างขวาง แต่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพสูงเมื่อดำเนินการ

ที่มา: pxhere

ปฏิกิริยาทางเคมีและปริมาณของรีเอเจนต์ทั้งหมดมีผลตามทฤษฎี ด้วยเหตุนี้จึงสามารถกำหนดระดับประสิทธิภาพของตัวแปรกระบวนการและจำนวนครั้งได้ ยิ่งผลผลิตสูงขึ้น (และเวลาสั้นลง) เงื่อนไขที่เลือกสำหรับปฏิกิริยาก็จะยิ่งดีขึ้น

ดังนั้นสำหรับปฏิกิริยาที่กำหนดสามารถเลือกช่วงอุณหภูมิความเร็วในการกวนเวลา ฯลฯ และสามารถดำเนินการได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด จุดประสงค์ของความพยายามดังกล่าวคือการประมาณผลผลิตตามทฤษฎีกับผลผลิตที่แท้จริง

ผลผลิตตามทฤษฎีคืออะไร?

ผลผลิตตามทฤษฎีคือปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาโดยสมมติว่ามีการแปลงเป็น 100% นั่นคือต้องใช้น้ำยา จำกัด ทั้งหมด

ดังนั้นการสังเคราะห์ทุกครั้งควรให้ผลตอบแทนจากการทดลองหรือจริงเท่ากับ 100% แม้ว่าจะไม่เกิดขึ้น แต่ก็มีปฏิกิริยาที่ให้ผลตอบแทนสูง (> 90%)

มันแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์และในการคำนวณคุณต้องใช้สมการทางเคมีของปฏิกิริยาก่อน จากการวัดปริมาณสารเคมีจะกำหนดปริมาณของรีเอเจนต์ที่ จำกัด ปริมาณผลิตภัณฑ์ที่มา หลังจากนี้ปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับ (ผลผลิตจริง) จะถูกเปรียบเทียบกับมูลค่าทางทฤษฎีที่กำหนด:

% ผลตอบแทน = (ผลตอบแทนจริง / ผลตอบแทนตามทฤษฎี) ∙ 100%

ผลผลิต% นี้ช่วยให้สามารถประเมินได้ว่าปฏิกิริยามีประสิทธิภาพเพียงใดภายใต้เงื่อนไขที่เลือก ค่าของพวกเขาแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับประเภทของปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่นสำหรับบางปฏิกิริยาผลตอบแทน 50% (ครึ่งหนึ่งของผลผลิตทางทฤษฎี) ถือได้ว่าเป็นปฏิกิริยาที่ประสบความสำเร็จ

แต่หน่วยของประสิทธิภาพดังกล่าวคืออะไร? มวลของสารตั้งต้นนั่นคือจำนวนกรัมหรือโมล ดังนั้นในการกำหนดผลผลิตของปฏิกิริยาจึงต้องทราบกรัมหรือโมลที่สามารถหาได้ในทางทฤษฎี

ข้างต้นสามารถชี้แจงได้ด้วยตัวอย่างง่ายๆ

ตัวอย่าง

ตัวอย่าง 1

พิจารณาปฏิกิริยาทางเคมีต่อไปนี้:

A + B => ค

1gA + 3gB => 4gC

สมการทางเคมีมีค่าสัมประสิทธิ์สโตอิชิโอเมตริกเพียง 1 ชนิดสำหรับสปีชีส์ A, B และ C เนื่องจากเป็นสปีชีส์สมมุติจึงไม่ทราบมวลโมเลกุลหรืออะตอมของพวกมัน แต่อัตราส่วนมวลที่มันทำปฏิกิริยานั้นมีอยู่ นั่นคือสำหรับแต่ละกรัมของ A 3 กรัมของ B ทำปฏิกิริยาเพื่อให้ 4 กรัมของ C (การอนุรักษ์มวล)

ดังนั้นผลผลิตตามทฤษฎีสำหรับปฏิกิริยานี้คือ 4 g ของ C เมื่อ 1g ของ A ทำปฏิกิริยากับ 3g ของ B

ผลตอบแทนตามทฤษฎีจะเป็นอย่างไรถ้าเรามี A 9g? ในการคำนวณเพียงใช้ปัจจัยการแปลงที่เกี่ยวข้องกับ A และ C:

(9g A) ∙ (4g C / 1g A) = 36g C

โปรดทราบว่าตอนนี้ผลผลิตตามทฤษฎีคือ 36 g C แทนที่จะเป็น 4 g C เนื่องจากมีรีเอเจนต์ A มากขึ้น

สองวิธี: สองผลตอบแทน

สำหรับปฏิกิริยาข้างต้นมีสองวิธีในการสร้าง C โดยสมมติว่าทั้งคู่เริ่มต้นด้วย 9g ของ A แต่ละวิธีมีผลผลิตที่แท้จริงของตัวเอง วิธีการแบบคลาสสิกทำให้ได้รับ C 23 กรัมในช่วงเวลา 1 ชั่วโมง ในขณะที่ใช้วิธีการที่ทันสมัยสามารถรับ C ได้ 29 กรัมในครึ่งชั่วโมง

% ผลตอบแทนของแต่ละวิธีคืออะไร? เมื่อทราบว่าผลผลิตตามทฤษฎีคือ 36 กรัมของ C จึงใช้สูตรทั่วไป:

% ผลผลิต (วิธีคลาสสิก) = (23g C / 36g C) ∙ 100%

63.8%

% ผลผลิต (วิธีสมัยใหม่) = (29g C / 36g C) ∙ 100%

80.5%

ตามเหตุผลวิธีการที่ทันสมัยโดยการสร้างกรัมของ C มากขึ้นจาก 9 กรัมของ A (บวก 27 กรัมของ B) มีผลตอบแทน 80.5% สูงกว่าผลผลิต 63.8% ของวิธีคลาสสิก

วิธีใดในสองวิธีที่จะเลือก? เมื่อมองแวบแรกวิธีการสมัยใหม่ดูเหมือนจะใช้ได้ผลมากกว่าวิธีการแบบคลาสสิก อย่างไรก็ตามแง่มุมทางเศรษฐกิจและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่เป็นไปได้ของแต่ละฝ่ายมีส่วนร่วมในการตัดสินใจ

ตัวอย่าง 2

พิจารณาปฏิกิริยาคายความร้อนและมีแนวโน้มเป็นแหล่งพลังงาน:

H ₂ + O ₂ => H ₂ O

โปรดสังเกตว่าดังตัวอย่างก่อนหน้านี้สัมประสิทธิ์สโตอิชิโอเมตริกของ H ₂และ O ₂คือ 1 ถ้าคุณมี 70g ของ H ₂ผสมกับ 150g ของ O ₂ผลของปฏิกิริยาจะเป็นอย่างไร ผลผลิตคืออะไรถ้าได้ 10 และ 90g ของ H ₂ O?

ไม่แน่ใจว่า H ₂หรือ O ₂ทำปฏิกิริยาได้กี่กรัม ดังนั้นจึงต้องกำหนดโมลของแต่ละชนิดในครั้งนี้:

โมลของ H ₂ = (70g) ∙ (mol H ₂ / 2g)

35 โมล

โมลของ O ₂ = (150g) ∙ (mol O ₂ / 32g)

4.69 โมล

น้ำยา จำกัด ออกซิเจนเพราะ 1mol ของ H ₂ทำปฏิกิริยากับ 1mol ของ O ₂ ; และเนื่องจากมีไฝ 4.69 ของ O ₂แล้ว 4.69 โมลของ H _{2 จะ}ตอบสนอง ในทำนองเดียวกันโมลของ H ₂ O ที่เกิดขึ้นจะมีค่าเท่ากับ 4.69 ดังนั้นผลผลิตตามทฤษฎีคือ 4.69 โมลหรือ 84.42g ของ H ₂ O (การคูณโมลด้วยมวลโมเลกุลของน้ำ)

ขาดออกซิเจนและสิ่งสกปรกส่วนเกิน

ถ้าผลิต H ₂ O 10g ผลผลิตจะเป็น:

% ผลผลิต = (10g H ₂ O / 84.42g H ₂ O) ∙ 100%

11.84%

ซึ่งต่ำเนื่องจากไฮโดรเจนปริมาณมากผสมกับออกซิเจนน้อยมาก

และในทางกลับกันถ้าผลิตได้ 90g H ₂ O ผลผลิตจะเป็น:

% ผลผลิต = (90g H ₂ O / 84.42g H ₂ O) ∙ 100%

106.60%

ไม่มีประสิทธิภาพที่สูงกว่าทางทฤษฎีดังนั้นสิ่งใดที่สูงกว่า 100% จึงเป็นความผิดปกติ อย่างไรก็ตามอาจเกิดจากสาเหตุต่อไปนี้:

- ผลิตภัณฑ์สะสมผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ที่เกิดจากปฏิกิริยาข้างเคียงหรือทุติยภูมิ

- ผลิตภัณฑ์ปนเปื้อนระหว่างหรือเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา

สำหรับกรณีของปฏิกิริยาในตัวอย่างนี้สาเหตุแรกไม่น่าเป็นไปได้เนื่องจากไม่มีผลิตภัณฑ์อื่นนอกจากน้ำ สาเหตุที่สองหากได้รับน้ำ 90 กรัมจริงภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวแสดงว่ามีการเข้ามาของสารประกอบก๊าซอื่น ๆ (เช่น CO ₂และ N ₂ ) ที่ชั่งน้ำหนักร่วมกับน้ำอย่างผิดพลาด

อ้างอิง

Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, หน้า 97
Helmenstine, ทอดด์ (2561 15 กุมภาพันธ์). วิธีการคำนวณผลผลิตเชิงทฤษฎีของปฏิกิริยาเคมี ดึงมาจาก: thoughtco.com
Chieh C. (13 มิถุนายน 2017). ผลตอบแทนทางทฤษฎีและตามจริง เคมี LibreTexts สืบค้นจาก: chem.libretexts.org
Khan Academy. (2018) การ จำกัด รีเอเจนต์และผลผลิตเปอร์เซ็นต์ สืบค้นจาก: khanacademy.org
เคมีเบื้องต้น. (เอสเอฟ) ผลตอบแทน ดึงมาจาก: saylordotorg.github.io
หลักสูตรเบื้องต้นเคมีทั่วไป (เอสเอฟ) การ จำกัด รีเอเจนต์และประสิทธิภาพ มหาวิทยาลัยบายาโดลิด กู้คืนจาก: eis.uva.es

ประสิทธิภาพทางทฤษฎีประกอบด้วยอะไรบ้างและเป็นตัวอย่าง - เคมี - 2025