Stechiometria, wydajność produktu i reagenty ograniczające

Równania chemiczne przedstawiają, w jaki sposób reakcja chemiczna przebiega od reagentów do produktów poprzez zmianę fizyczną lub chemiczną przy użyciu wzorów chemicznych.

Stechiometria to termin opisujący względne ilości reagentów i produktów w reakcji chemicznej. Opiera się na Prawie Zachowania Masy, które jest podstawowym prawem mówiącym o tym, że materia nie jest ani tworzona, ani niszczona. Po prostu liczba i tożsamość atomów reagentów musi być równa liczbie i tożsamości atomów produktu. Reakcje przestawiają atomy, ale ich nie tworzą ani nie niszczą. Wymaga to, aby proponowana reakcja była zrównoważona, co oznacza, że liczba atomów dla każdego pierwiastka jest równa po stronie reagenta i produktu.

Na przykład w poniższym równaniu chemicznym lewa strona (reagenty) zawiera jeden atom miedzi, jeden atom wodoru, jeden atom azotu i trzy atomy tlenu.

Cu + HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + NO

Po prawej stronie zwróć uwagę, że produkt wodny ma poprzedzony numer. Jest to współczynnik i reprezentuje liczbę cząsteczek w reakcji. Korzystając z tych informacji, możemy policzyć liczbę atomów po stronie produktu. Jest jeden atom miedzi i osiem atomów wodoru (4 x 2). Liczenie atomów azotu i tlenu wymaga nieco więcej matematyki. W pierwszym produkcie znajdują się dwa atomy azotu, a w trzecim jeden atom azotu, co daje w sumie trzy atomy azotu. W przypadku tlenu w pierwszym produkcie znajduje się sześć atomów tlenu, w drugim cztery atomy tlenu, a w trzecim produkcie jeden atom tlenu, co daje łącznie 11 atomów tlenu.

Gdyby pozostawić ją w takiej formie, reakcja nie byłaby możliwa, ponieważ sprzeciwia się prawu zachowania mas. Po stronie produktu znajduje się więcej atomów wodoru, azotu i tlenu. Dlatego równanie musi być zrównoważone.

Równoważenie równania to proces iteracyjny, który wymaga dodawania współczynników z każdej strony, aż liczby staną się równe. Istnieje kilka podejść do zrównoważenia równania chemicznego. Jedno z podejść wykorzystuje tabelę do wizualizacji liczb oraz trochę prób i błędów.

Ponieważ po stronie reagenta jest tylko jeden atom wodoru, ale po stronie produktu osiem atomów wodoru, pomnożenie związku zawierającego azot po stronie reagenta przez osiem zrównoważyłoby wodór. Drugi wiersz w nowej tabeli odzwierciedla tę zmianę liczby atomów.

Następnie, aby zwiększyć liczbę azotów po stronie produktu, pomnożenie iloczynu Cu(NO₃)₂ przez trzy zwiększyłoby liczbę atomów azotu z trzech do siedmiu. Liczba atomów azotu nie jest jeszcze zrównoważona, ale nadal należy wziąć pod uwagę współczynniki dla jednego reagenta i jednego produktu.

Jeśli wytworzone są dwie cząsteczki NO, dodaje to jeszcze jeden atom azotu i jeszcze jeden atom tlenu po stronie produktu, równoważąc te dwa gatunki po stronie reagenta.

Jedynym atomem, który pozostał niezrównoważony, jest miedź. Zwiększenie liczby do trzech atomów miedzi po stronie reagenta równoważy równanie.

Zrównoważone równanie jest zapisane w następujący sposób:

3 Cu + 8 HNO₃ → 3 Cu(NO₃)₂ + 4 H₂O + 2 NO

Zrównoważenie równania jest również niezbędne do wyznaczenia reagenta ograniczającego, ponieważ współczynnik związków służy do obliczenia, ile produktu jest wytwarzane przez każdy reagent (wydajność produktu). Z tej ilości reagent wytwarzający najmniejszą ilość produktu jest uważany za reagent ograniczający - który jest całkowicie zużywany w reakcji i dlatego ogranicza całkowitą ilość wytwarzanego produktu. Ta obliczona wielkość reprezentuje również teoretyczną wydajność reakcji, która jest potrzebna do obliczenia procentowej wydajności.

Zrównoważone równanie to coś więcej niż proste obliczenie atomów. Współczynniki opisują relację molową między produktami a reagentami, tj. ile produktu jest wytwarzane przez każdy reagent. Liczba moli reagenta służy do obliczenia liczby moli innego produktu lub reagenta. Reagent, który wytwarza najmniejszą ilość produktu, jest uważany za reagent ograniczający.

Reagent ograniczający jest całkowicie zużywany w reakcji, a zatem ogranicza całkowitą ilość wytwarzanego produktu. Gdy reagent ograniczający zostanie całkowicie zużyty, nie utworzy się już żaden produkt. Możliwa ilość produktu, którą można utworzyć na podstawie reagenta ograniczającego, to teoretyczna wydajność reakcji.

Rzeczywista wydajność jest porównywana z wydajnością teoretyczną, w wyniku czego uzyskuje się "wydajność procentową". Procentowa wydajność wynosząca 100% oznacza, że w oparciu o zastosowane reagenty wyprodukowano maksymalną możliwą ilość produktu. Procentowe uzyski mniejsze niż 100% są powszechne i wskazują, że podczas reakcji nastąpiła pewna utrata produktu. Wydajność procentowa nigdy nie jest większa niż wydajność teoretyczna. W takim przypadku wystąpiły błędy eksperymentalne lub obliczeniowe.

Z