و العائد النظري للتفاعل كيميائي هو الكمية القصوى التي يمكن الحصول عليها من منتج افتراض التحول الكامل من المواد المتفاعلة. عندما يتفاعل أحد المواد المتفاعلة جزئيًا لأسباب حركية أو ديناميكية حرارية أو تجريبية ، يكون الناتج الناتج أقل من نظري.
يتيح لك هذا المفهوم مقارنة الفجوة بين التفاعلات الكيميائية المكتوبة على الورق (المعادلات الكيميائية) والواقع. قد يبدو بعضها بسيطًا جدًا ، ولكنه معقد تجريبيًا ومنخفض العائد ؛ في حين أن البعض الآخر يمكن أن يكون واسع النطاق ولكنه بسيط وعالي الأداء عند تنفيذه.
المصدر: Pxhere
جميع التفاعلات الكيميائية وكميات الكواشف لها عائد نظري. بفضل هذا ، يمكن إنشاء درجة من فعالية متغيرات العملية والنتائج ؛ كلما زاد العائد (وكلما أقصر الوقت) ، كانت الظروف المختارة للتفاعل أفضل.
وبالتالي ، بالنسبة لتفاعل معين ، يمكن اختيار نطاق درجة الحرارة ، وسرعة التحريك ، والوقت ، وما إلى ذلك ، ويمكن تنفيذ الأداء الأمثل. الغرض من هذه الجهود هو تقريب العائد النظري إلى العائد الفعلي.
ما هو العائد النظري؟
العائد النظري هو كمية المنتج التي يتم الحصول عليها من تفاعل بافتراض تحويل 100٪ ؛ وهذا يعني أنه يجب استهلاك كل الكاشف المحدد.
لذلك ، يجب أن يعطي كل تركيب بشكل مثالي عائدًا تجريبيًا أو حقيقيًا يساوي 100٪. على الرغم من عدم حدوث ذلك ، إلا أن هناك تفاعلات ذات عوائد عالية (> 90٪)
يتم التعبير عنها بالنسب المئوية ، ولحسابها يجب عليك أولاً اللجوء إلى المعادلة الكيميائية للتفاعل. من قياس العناصر المتفاعلة ، يتم تحديد كمية معينة من الكاشف المحدد كم ينشأ المنتج. بعد ذلك ، تتم مقارنة كمية المنتج التي تم الحصول عليها (العائد الفعلي) بكمية القيمة النظرية المحددة:
٪ العائد = (العائد الفعلي / العائد النظري) ∙ 100٪
تسمح هذه النسبة المئوية بتقدير مدى كفاءة التفاعل في ظل الظروف المحددة. تختلف قيمها بشكل كبير اعتمادًا على نوع التفاعل. على سبيل المثال ، بالنسبة لبعض التفاعلات يمكن اعتبار العائد بنسبة 50٪ (نصف العائد النظري) تفاعلًا ناجحًا.
لكن ما هي وحدات هذا الأداء؟ كتلة المواد المتفاعلة ، أي عدد الجرامات أو المولات. لذلك ، لتحديد ناتج التفاعل ، يجب معرفة الجرامات أو المولات التي يمكن الحصول عليها نظريًا.
يمكن توضيح ما سبق بمثال بسيط.
أمثلة
مثال 1
ضع في اعتبارك التفاعل الكيميائي التالي:
أ + ب => ج
1gA + 3gB => 4gC
تحتوي المعادلة الكيميائية على معاملات متكافئة واحدة فقط للأنواع A و B و C. نظرًا لأنها من الأنواع الافتراضية ، فإن كتلها الجزيئية أو الذرية غير معروفة ، ولكن نسبة الكتلة التي تتفاعل فيها متاحة ؛ أي ، لكل جرام من A ، يتفاعل 3 جم من B لإعطاء 4 جم من C (حفظ الكتلة).
لذلك ، فإن الناتج النظري لهذا التفاعل هو 4 جم من C عندما يتفاعل 1 جم من A مع 3 جم من B.
ماذا سيكون العائد النظري إذا كان لدينا 9 جم من أ؟ لحسابها ، ما عليك سوى استخدام عامل التحويل المرتبط بـ A و C:
(9 جم أ) ∙ (4 جم C / 1 جم أ) = 36 جم ج
لاحظ أن الناتج النظري الآن هو 36 جم C بدلاً من 4 جم C ، نظرًا لوجود المزيد من الكاشف A.
طريقتان: عائدان
بالنسبة للتفاعل أعلاه ، توجد طريقتان لإنتاج C. بافتراض أن كلاهما يبدأ بـ 9 جم من A ، لكل منهما محصوله الفعلي. تتيح الطريقة الكلاسيكية الحصول على 23 جم من الكربون في فترة 1 ساعة ؛ أثناء استخدام الطريقة الحديثة ، يمكن الحصول على 29 جم من الكربون في نصف ساعة.
ما هو العائد٪ لكل طريقة؟ مع العلم أن العائد النظري هو 36 جم من C ، يتم تطبيق الصيغة العامة:
العائد٪ (الطريقة الكلاسيكية) = (23 جم C / 36 جم C) 100٪
63.8٪
العائد٪ (الطريقة الحديثة) = (29 جم C / 36 جم C) 100٪
80.5٪
من الناحية المنطقية ، فإن الطريقة الحديثة من خلال إنشاء المزيد من جرامات C من 9 جرام من A (بالإضافة إلى 27 جرامًا من B) لها عائد 80.5٪ ، أعلى من إنتاج 63.8٪ من الطريقة الكلاسيكية.
أي من الطريقتين تختار؟ للوهلة الأولى ، تبدو الطريقة الحديثة أكثر قابلية للتطبيق من الطريقة الكلاسيكية ؛ ومع ذلك ، فإن الجانب الاقتصادي والتأثيرات البيئية المحتملة لكل واحد تدخل في اللعب في القرار.
مثال 2
ضع في اعتبارك التفاعل الطارد للحرارة والواعد كمصدر للطاقة:
H 2 + O 2 => H 2 O
لاحظ أنه كما في المثال السابق ، فإن معاملات القياس المتكافئ لـ H 2 و O 2 هي 1. إذا كان لديك 70 جم من H 2 ممزوجًا بـ 150 جم من O 2 ، فما الناتج النظري للتفاعل؟ ما العائد إذا تم الحصول على 10 و 90 جم من H 2 O؟
هنا من غير المؤكد عدد جرامات H 2 أو O 2 التي تتفاعل ؛ لذلك ، يجب تحديد مولات كل نوع هذه المرة:
مولات H 2 = (70G) ∙ (مول H 2 / 2G)
35 مول
مولات O 2 = (150G) ∙ (مول O 2 / 32G)
4.69 مول
الكاشف المحدد هو الأكسجين ، لأن 1 جزيء جرامي من H 2 يتفاعل مع 1 جزيء جرامي من O 2 ؛ وبما أن هناك 4.69 مول من O 2 ، فإن 4.69 مول من H2 سوف تتفاعل. وبالمثل ، فإن مولات H 2 O ستكون مساوية لـ 4.69. لذلك ، فإن الناتج النظري هو 4.69 مول أو 84.42 جم من H 2 O (ضرب المولات في الكتلة الجزيئية للماء).
نقص الأكسجين والشوائب الزائدة
إذا تم إنتاج 10 جم من H 2 O ، فسيكون الناتج:
٪ العائد = (10G H 2 O / 84.42g H 2 O) ∙ 100٪
11.84٪
وهو منخفض لأن كمية هائلة من الهيدروجين كانت مختلطة مع كمية قليلة جدًا من الأكسجين.
ومن ناحية أخرى ، إذا تم إنتاج 90 جم H 2 O ، فسيكون الناتج الآن:
٪ العائد = (90G H 2 O / 84.42g H 2 O) ∙ 100٪
106.60٪
لا يمكن أن يكون الأداء أعلى من النظري ، لذا فإن أي شيء أعلى من 100٪ يعد أمرًا شاذًا. ومع ذلك ، يمكن أن يكون راجعا إلى الأسباب التالية:
- تراكمت على المنتج منتجات أخرى ناتجة عن تفاعلات جانبية أو ثانوية.
- تلوث المنتج أثناء التفاعل أو في نهايته.
بالنسبة لحالة التفاعل في هذا المثال ، فإن السبب الأول غير مرجح ، حيث لا يوجد منتج آخر بجانب الماء. السبب الثاني، إذا 90G من المياه التي تم الحصول عليها في الواقع في ظل هذه الظروف، ويشير إلى أن هناك دخول المركبات الغازية الأخرى (مثل CO 2 و N 2) التي تم وزنه بشكل خاطئ مع الماء.
المراجع
- ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). تعلم CENGAGE ، ص 97.
- هيلمنستين ، تود. (2018 ، 15 فبراير). كيف تحسب العائد النظري لتفاعل كيميائي. تم الاسترجاع من: thinkco.com
- شيه سي (13 يونيو 2017). العوائد النظرية والفعلية. الكيمياء LibreTexts. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org
- أكاديمية خان. (2018). الحد من الكواشف ونسبة العائد. تم الاسترجاع من: khanacademy.org
- الكيمياء التمهيدية. (سادس). عائدات. تم الاسترجاع من: saylordotorg.github.io
- دورة تمهيدية في الكيمياء العامة. (سادس). الحد من الكاشف والأداء. جامعة بلد الوليد. تم الاسترجاع من: eis.uva.es