الأداء النظري: ما الذي يتكون منه والأمثلة
العائد النظري للتفاعل الكيميائي هو أقصى كمية يمكن الحصول عليها من منتج بافتراض التحول الكامل للمواد المتفاعلة. عندما يتفاعل أحد المتفاعلات جزئيًا لأسباب حركية أو ديناميكية حرارية أو تجريبية ، فإن العائد الناتج يكون أقل من العائد النظري.
يسمح هذا المفهوم بمقارنة الفجوة بين التفاعلات الكيميائية المكتوبة على الورق (المعادلات الكيميائية) والواقع. قد يبدو البعض بسيطًا جدًا ، لكنه معقد تجريبيًا وذات عوائد منخفضة ؛ بينما البعض الآخر ، يمكن أن يكون أداء واسع النطاق ولكن بسيط وعالي لجعله.
جميع التفاعلات الكيميائية وكميات الكواشف لها محصول نظري. بفضل هذا ، يمكن تحديد درجة من فعالية متغيرات العملية والنجاحات ؛ كلما زاد العائد (وأقصر وقت) ، كانت الظروف المختارة لرد الفعل أفضل.
وبالتالي ، بالنسبة لرد فعل معين ، يمكنك اختيار مجموعة من درجات الحرارة ، وسرعة الانفعال ، والوقت ، وما إلى ذلك ، وتنفيذ الأداء الأمثل. الغرض من هذه الجهود هو تقريب الأداء النظري للأداء الفعلي.
ما هو الأداء النظري؟
العائد النظري هو كمية المنتج التي تم الحصول عليها من رد فعل بافتراض تحويل 100 ٪ ؛ وهذا هو ، يجب أن تستهلك جميع كاشف الحد.
بعد ذلك ، يجب أن تعطي جميع التوليفات أداءً تجريبياً أو حقيقياً يساوي 100٪. على الرغم من أن هذا لا يحدث ، فهناك ردود أفعال ذات عوائد عالية (> 90٪)
يتم التعبير عنها بنسب مئوية ، ولحسابها أولاً ، يجب عليك اللجوء إلى المعادلة الكيميائية للتفاعل. من خلال قياس العناصر المتفاعلة ، يتم تحديد مقدار معين من كاشف الحد من مقدار المنتج الذي يتم إنتاجه. ثم ، عند القيام بذلك ، تتم مقارنة كمية المنتج التي تم الحصول عليها (العائد الفعلي) مع تلك الموجودة في القيمة النظرية المحددة:
الأداء٪ = (الأداء الفعلي / الأداء النظري) ∙ 100٪
يسمح لنا هذا العائد٪ بتقدير مدى فعالية رد الفعل في ظل الظروف المحددة. تتأرجح قيمهم بشكل كبير اعتمادًا على نوع التفاعل. على سبيل المثال ، بالنسبة لبعض التفاعلات ، يمكن اعتبار العائد بنسبة 50٪ (نصف العائد النظري) بمثابة رد فعل ناجح.
ولكن ما هي وحدات هذا الأداء؟ كتلة الكواشف ، أي كمية الغرامات أو الشامات. لذلك ، لتحديد أداء رد فعل يجب أن تكون معروفة غرام أو الشامات التي يمكن الحصول عليها نظريا.
يمكن توضيح ما سبق مع مثال بسيط.
أمثلة
مثال 1
النظر في التفاعل الكيميائي التالي:
A + B => C
1gA + 3gB => 4gC
تحتوي المعادلة الكيميائية على معاملات كيميائية واحدة فقط للأنواع A و B و C. نظرًا لأن هذه الأنواع هي أنواع افتراضية ، فإن كتلها الجزيئية أو الذرية غير معروفة ، ولكن نسبة الكتلة التي تتفاعل في متناول اليد ؛ أي لكل غرام من A ، تتفاعل 3 غرام من B لإعطاء 4 غرام من C (حفظ الكتلة).
لذلك ، يكون العائد النظري لهذا التفاعل هو 4 غرام من C عندما يتفاعل 1g من A مع 3g من B.
ماذا سيكون العائد النظري إذا كان لديك 9g من A؟ لحسابها ، يكفي استخدام عامل التحويل الذي يرتبط A و C:
(9g A) ∙ (4g C / 1g A) = 36g C
لاحظ الآن أن العائد النظري هو 36 غم م بدلاً من 4 غم م ، لأن هناك تفاعلي أ.
طريقتين: غلة اثنين
بالنسبة للتفاعل أعلاه ، هناك طريقتان لإنتاج C. على افتراض أن كلاهما يبدأ بـ 9g من A ، لكل منهما أدائه الحقيقي الخاص. تسمح الطريقة الكلاسيكية بالحصول على 23 غرام من C خلال فترة ساعة واحدة ؛ أثناء استخدام الطريقة الحديثة ، يمكن الحصول على 29 جم من C في نصف ساعة.
ما هو العائد ٪ لكل من الأساليب؟ مع العلم أن العائد النظري هو 36 غرام من C ، ننتقل إلى تطبيق الصيغة العامة:
الأداء٪ (الطريقة الكلاسيكية) = (23 جم مئوية / 36 جم مئوية) ∙ 100 ٪
63.8٪
الأداء٪ (الطريقة الحديثة) = (29 جم C / 36 جم C) ∙ 100 ٪
80.5٪
منطقيا ، فإن الطريقة الحديثة لتكوين المزيد من غرامات C من 9 غرامات من A (بالإضافة إلى 27 غراما من B) لديها عائد 80.5 ٪ ، أعلى من العائد البالغ 63.8 ٪ من الطريقة الكلاسيكية.
أي من الطريقتين لاختيار؟ للوهلة الأولى ، تبدو الطريقة الحديثة أكثر قابلية للتطبيق من الطريقة التقليدية ؛ ومع ذلك ، فإن الجانب الاقتصادي والآثار البيئية المحتملة لكل واحد تدخل في القرار.
مثال 2
النظر في رد الفعل الطارد للحرارة وواعدة كمصدر للطاقة:
H 2 + O 2 => H 2 O
لاحظ أنه كما في المثال السابق ، فإن معاملات العناصر المتكافئة H2 و O 2 هي 1. إذا كان لديك 70 جم من H2 مخلوط مع 150 جم من O2 ، فما هي العائد النظري للتفاعل؟ ما هو العائد إذا تم الحصول على 10 و 90 جم من H 2 O؟
من غير المؤكد عدد غرامات H2 أو O 2 التي تتفاعل ؛ لذلك ، يجب تحديد الشامات من كل الأنواع هذه المرة:
مولات H 2 = (70 جم) ∙ (مول H 2 / 2g)
35 الشامات
مولات O 2 = (150 جم) ∙ (مول O 2/32 جم)
4.69 مول
الكاشف المحدد هو الأكسجين ، لأن 1 مل من H 2 يتفاعل مع 1mol من O 2 ؛ وبوجود 4.69 مول من O 2 ، فإن 4.69 مول من H 2 سيتفاعل. وبالمثل ، فإن الشامات من H 2 O تشكيل تساوي 4،69. لذلك ، فإن العائد النظري هو 4.69 مول أو 84.42 غرام من H 2 O (ضرب الشامات بالكتلة الجزيئية للماء).
نقص الأكسجين والشوائب الزائدة
إذا تم إنتاج 10 جم من H 2 O ، فسيكون العائد:
الأداء٪ = (10g H 2 O / 84.42g H 2 O) ∙ 100٪
11.84٪
وهو منخفض لأن كمية كبيرة من الهيدروجين تم خلطها مع كمية قليلة جدًا من الأكسجين.
ومن ناحية أخرى ، إذا تم إنتاج 90g H 2 O ، فسيكون الأداء الآن:
الأداء٪ = (90g H 2 O / 84.42g H 2 O) ∙ 100٪
106.60٪
لا يمكن أن يكون الأداء أكبر من المستوى النظري ، لذلك فإن أي قيمة أعلى من 100٪ تعد أمرًا شاذًا. ومع ذلك ، قد يكون ذلك بسبب الأسباب التالية:
- المنتج المتراكمة غيرها من المنتجات الناجمة عن ردود الفعل الجانبية أو الثانوية.
- تم تلوث المنتج أثناء أو في نهاية التفاعل.
في حالة رد فعل هذا المثال ، من غير المرجح أن يكون السبب الأول هو عدم وجود منتج آخر غير الماء. السبب الثاني ، في حالة الحصول على 90 جم من الماء في ظل هذه الظروف ، يشير إلى وجود مدخل لمركبات غازية أخرى (مثل ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروز) تم وزنها خطأً مع الماء.
