Reakcje chemiczne w rzeczywistym świecie nie zawsze przebiegają dokładnie tak, jak zaplanowano na papierze. W trakcie eksperymentu wiele rzeczy przyczynia się do powstania mniejszej ilości produktu, niż można by przewidzieć. Oprócz błędów eksperymentalnych, zwykle występują straty spowodowane np. niepożądanymi reakcjami ubocznymi lub zanieczyszczeniami. Chemicy potrzebują wielkości, która wskaże, jak skuteczna była reakcja. Ten pomiar nazywa się procentową wydajnością reakcji chemicznej.

bg‑gold

Wydajność teoretyczna a rzeczywista

Chemicy stosują obliczenia stechiometryczne do przewidywania ilości produktu, której można oczekiwać po zajściu reakcji chemicznej. Spodziewana ilość produktu, na podstawie uzgodnionego równania reakcji, nazywa się wydajnością teoretycznąwydajność teoretycznawydajnością teoretyczną. Nie zawsze jest ona identyczna z faktyczną ilością uzyskanego produktu w wyniku przebiegu reakcji chemicznej. To, ile ostatecznie uzyskamy produktu, określamy mianem wydajności rzeczywistejwydajność rzeczywistawydajności rzeczywistej.

Ważne!

W celu obliczenia procentowej wydajnościProcentowa wydajność reakcjiprocentowej wydajności, należy najpierw obliczyć, ile produktu powinno się utworzyć w oparciu o uzgodnione równanie reakcji chemicznej. Tak obliczona wielkość nazywa się wydajnością teoretyczną, czyli jest to maksymalna ilość produktu, która mogłaby powstać z danych ilości reagentów. Rzeczywista wydajność to ilość produktu, która naprawdę powstaje w reakcji chemicznej. Procentowa wydajność reakcji to wyrażony w procentach stosunek rzeczywistej wydajności do wydajności teoretycznej. Można to zapisać za pomocą poniższego wzoru:

W=mrmt·100%

gdzie:

  • W – wydajność;

  • mr – rzeczywista masa produktu;

  • mt – teoretyczna masa produktu.

Najprościej pojęcie wydajności w odniesieniu do naszego życia możemy wyjaśnić wcielając się w fanów piłki nożnej. Otóż oglądając mecz, często widzimy statystki strzałów na bramkę danego napastnika – powiedzmy, że dany napastnik oddał na bramkę 10 strzałów, ale tylko jeden z nich zakończył się sukcesem w postaci gola. Wydajność takiego napastnika wynosiłaby wtedy:

110·100%=10%

bg‑gold

Jak obliczyć wydajność reakcji?

11
Polecenie 1

Przeprowadzono eksperyment, w którym użyto 100 g kwasu salicylowego, a otrzymano 120,3 g aspiryny. Jaka jest wydajność procesu? Wynik podaj w procentach z dokładnością do pierwszego miejsca po przecinku.

Aspiryna to lek pochodzący z kwasu salicylowego.

1 mol kwasu salicylowego daje 1 mol aspiryny:

R1DLaBdNiYR1N
Kwas acetylosalicylowy otrzymuje się w reakcji kwasu salicylowego z bezwodnikiem octowym, w obecności kwasu siarkowego(VI) lub ortofosforowego(V) jako katalizatora.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
RUkxg7QTKHyOK
Rozwiązanie oraz odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je we wskazanym polu. .
Rb11i5bgeAMOL
(Uzupełnij).
bg‑gold

Dlaczego wydajność rzeczywista i teoretyczna często się różnią?

Rzeczywista wydajność reakcji chemicznych jest zwykle mniejsza niż wydajność teoretyczna. Jest to spowodowane różnymi czynnikami, np.:

  • mogą zachodzić dwie lub więcej reakcji jednocześnie – część reagentów może się przekształcić w produkty uboczneProdukt ubocznyprodukty uboczne;

  • występują straty przy oddzielaniu i oczyszczaniu pożądanego produktu z mieszaniny reakcyjnej;

  • obecne są zanieczyszczenia, które nie biorą udziału w reakcji.

Procentowa wydajność jest bardzo ważna w przemyśle. Dużo czasu i pieniędzy przeznacza się na zwiększenie procentowej wydajności produkcji chemicznej. Gdy złożone chemikalia są syntetyzowane w wielu różnych reakcjach, jeden krok z niską wydajnością procentową może spowodować duże straty reagentów i niepotrzebne wydatki.

bg‑gold
bg‑gold

Czynniki wpływające na wydajność reakcji chemicznej1

1
Symulacja 1

Czy wiesz, jakie czynniki mogą wpływać na wydajność reakcji chemicznej? W poniższej symulacji przedstawiono pierwszy z etapów produkcji kwasu azotowego(V) – proces utleniania amoniaku. Zapoznaj się z symulacją interaktywną, zastanów się, jakie elementy odgrywają znaczącą rolę w prowadzonej syntezie, a następnie rozwiąż poniższe zadania.

Czy wiesz, jakie czynniki mogą wpływać na wydajność reakcji chemicznej? W opisie symulacji przedstawiono pierwszy z etapów produkcji kwasu azotowego(V) – proces utleniania amoniaku. Zapoznaj się z informacjami, zastanów się, jakie elementy odgrywają znaczącą rolę w prowadzonej syntezie, a następnie rozwiąż poniższe zadania.

ReYyrbPiI22rp
W symulacji po prawej stronie widnieje zbiornik z cieczą, do którego doprowadzany jest tlen i amoniak, po reakcji produkty wydostają się z niego jako pęcherzyki gazu. Do sprawdzenia są trzy parametry: wpływ stosunku molowego tlenu do amoniaku, wpływ temperatury oraz wpływ czasu kontaktu reagentów. W przypadku wpływu stosunku molowego tlenu do amoniaku widnieje reakcja 4 N H 3 ( g ) + O 2 ( g ) strzałka jest przekreślona znakiem X dopóki nie zwiększymy wystarczająco stosunku tlenu do amoniaku, to jest dopóki przy tlenie nie pojawi się liczba 3. Reakcja w tym punkcie biegnie następująco: 4 N H 3 ( g ) + 3 O 2 ( g ) 2 N 2 ( g ) + 6 H 2 O ( g ) . Zwiększenie ilości tlenu skutkuje reakcją o przebiegu: 4 N H 3 ( g ) + 4 O 2 ( g ) 2 N 2 O ( g ) + 6 H 2 O ( g ) a kolejne zwiększenie stosunku tlenu: 4 N H 3 ( g ) + 5 O 2 ( g ) 4 N O ( g ) + 6 H 2 O ( g ) . Pojawia się także wykres, w którym na osi y znajduje się stopień przereagowania amoniaku od 0 do 100% co 20, a na osi x stosunek molowy O 2 : N H 3 od 0,5 do 2,0. Z wykresu można odczytać, że przy stosunku 1,0 stopień przereagowania amoniaku to zaledwie 20%, przy 1,5 - 75% a przy 2 - 100%. W przypadku wpływu temperatury pojawia się wykres: na osi x widnieje temperatura wyrażona w stopniach Celsjusza od 300 do 1000 stopni, co 100 stopni, na osi y stopień utlenienia amoniaku do NO i N2 w procentach od 0 do 100% co 20%. Przy zbyt niskiej temperaturze reakcja nie zachodzi: 4 N H 3 ( g ) + O 2 ( g ) strzałka jest przekreślona znakiem X, nieco powyżej 300 stopni zaczyna przebiegać reakcja: 4 N H 3 ( g ) + 5 O 2 ( g ) 4 N O ( g ) + 6 H 2 O ( g ) . Przy 800 stopniach następuje maksymalna produkcja NO (100% na osi y) i zaczyna rosnąć linia powstawania azotu ( N 2 ), oprócz wcześniejszej reakcji pojawia się kolejna: 4 N H 3 ( g ) + 6 N O ( g ) 5 N 2 ( g ) + 6 H 2 O ( g ) Przy dalej wzrastającej temperaturze maleje procent uzyskanego NO a rośnie azotu, linie przecinają się przy nieco ponad 900 stopniach na poziomie 40% obydwu składników, przy 1000 stopniach azot osiąga 100%, natomiast NO spada do 20%. W przypadku wpływ czasu kontaktu reagentów pojawia się wykres ze stopniem utlenienia amoniaku do NO i  N 2 w procentach od 0 do 100% co 20%, a na osi x czas kontaktu wyrażony w sekundach 10 4 . Przy 1 10 4 sekundy zaczyna rosnąć udział azotu od 0% natomiast, udział NO w tym miejscu wynosi 85% do 1.5 10 4 sekundy rośnie do 90% następnie zaczyna spadać. Przy 4.5 10 4 sekundy poziomy obu produktów zrównują się (linie się przecinają w 50%) i aż do 11 10 4 sekundy poziom azotu stale się powiększa osiągając ok 95%, a poziom NO stale maleje osiągając 10%.
Symulacja interaktywna pt. „Badanie wydajności reakcji chemicznej”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Podpowiedźgreenwhite
R1EeQNr1jOZb3
Ćwiczenie 1
W celu wyznaczenia wydajności procentowej reakcji należy określić wartość: Możliwe odpowiedzi: 1. rzeczywistej masy produktu, 2. pH roztworu, 3. teoretycznej masy produktu, 4. temperatury otoczenia reakcji
Ćwiczenie 2

W wielu procesach syntetycznych, obok głównej reakcji mogą przebiegać też procesy uboczne. Na podstawie reakcji przedstawionej w symulacji, opisz, jaki wpływ na wydajność syntezy mają produkty uboczne.

Ru1dPyzUvshDT
Odpowiedź: (Uzupełnij).
bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
wydajność teoretyczna
wydajność teoretyczna

ilość produktu obliczona na podstawie uzgodnionego równania reakcji

wydajność rzeczywista
wydajność rzeczywista

ilość produktu, który rzeczywiście powstaje, gdy reakcja chemiczna jest przeprowadzana w laboratorium lub fabryce

procentowa wydajność reakcji
procentowa wydajność reakcji

stosunek masy produktu otrzymanego w wyniku reakcji chemicznej do teoretycznej jego masy obliczonej na podstawie współczynników stechiometrycznych równania tej reakcji i ilości użytych substratów; wyrażana zazwyczaj w procentach:

W=mrmt·100%

gdzie:

  • W – wydajność;

  • mr – rzeczywista masa produktu;

  • mt – teoretyczna masa produktu.

produkt uboczny
produkt uboczny

produkt powstający w wyniku przyjętej koncepcji technologicznej, niestanowiący jednak zasadniczego celu procesu wytwórczego