ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีในสิ่งที่มันประกอบและเป็นตัวอย่าง

ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎี ของปฏิกิริยาทางเคมีคือปริมาณสูงสุดที่สามารถหาได้จากผลิตภัณฑ์โดยสมมติว่าการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดของสารตั้งต้น สำหรับเหตุผลเกี่ยวกับจลนพลศาสตร์เทอร์โมไดนามิกหรือการทดลองหนึ่งในสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยาบางส่วนผลที่ได้จะน้อยกว่าทางทฤษฎี.

แนวคิดนี้ช่วยเปรียบเทียบช่องว่างระหว่างปฏิกิริยาทางเคมีที่เขียนบนกระดาษ (สมการทางเคมี) และความเป็นจริง บางคนอาจดูเรียบง่าย แต่มีความซับซ้อนในการทดลองและให้ผลตอบแทนต่ำ ในขณะที่คนอื่น ๆ สามารถกว้างขวาง แต่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพสูงเพื่อให้พวกเขา.

ปฏิกิริยาเคมีทั้งหมดและปริมาณของรีเอเจนต์มีผลทางทฤษฎี ต้องขอบคุณสิ่งนี้ระดับของประสิทธิผลของตัวแปรกระบวนการและความสำเร็จที่สามารถสร้างขึ้นได้ ยิ่งผลผลิตสูงขึ้น (และยิ่งเวลาสั้นลง) ยิ่งเลือกเงื่อนไขสำหรับปฏิกิริยามากขึ้นเท่านั้น.

ดังนั้นสำหรับปฏิกิริยาที่กำหนดคุณสามารถเลือกช่วงอุณหภูมิความเร็วของการกวนเวลาและอื่น ๆ และดำเนินการให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุด วัตถุประสงค์ของความพยายามดังกล่าวคือเพื่อประมาณประสิทธิภาพทางทฤษฎีกับประสิทธิภาพที่แท้จริง.

ดัชนี

• 1 อัตราผลตอบแทนทางทฤษฎีคืออะไร?
• 2 ตัวอย่าง
  • 2.1 ตัวอย่างที่ 1
  • 2.2 ตัวอย่างที่ 2
• 3 อ้างอิง

ประสิทธิภาพทางทฤษฎีคืออะไร?

ผลผลิตทางทฤษฎีคือปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปฏิกิริยาที่เกิดจากการแปลง 100% นั่นคือจะต้องใช้น้ำยาที่ จำกัด ทั้งหมด.

จากนั้นการสังเคราะห์ทั้งหมดควรให้การทดลองหรือประสิทธิภาพที่แท้จริงเท่ากับ 100% แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น แต่ก็มีปฏิกิริยากับผลผลิตสูง (> 90%)

มันจะแสดงเป็นร้อยละและในการคำนวณก่อนอื่นคุณต้องใช้สมการทางเคมีของปฏิกิริยา จากปริมาณสารสัมพันธ์มันถูกกำหนดสำหรับปริมาณรีเอเจนต์ที่ จำกัด ว่าผลิตภัณฑ์มีต้นกำเนิดมามากแค่ไหน จากนั้นเมื่อดำเนินการเสร็จแล้วปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับ (อัตราผลตอบแทนที่แท้จริง) จะถูกเปรียบเทียบกับมูลค่าทางทฤษฎีที่กำหนด:

ประสิทธิภาพ% = (ประสิทธิภาพจริง / ประสิทธิภาพตามทฤษฎี) ∙ 100%

% ผลตอบแทนนี้ช่วยให้เราสามารถประเมินได้ว่าปฏิกิริยานั้นมีประสิทธิภาพเพียงใดในสภาวะที่เลือก ค่าของพวกเขาแกว่งไปแกว่งมาอย่างรุนแรงขึ้นอยู่กับชนิดของปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่นสำหรับปฏิกิริยาบางอย่างผลผลิตของ 50% (ครึ่งหนึ่งของค่าทางทฤษฎี) ถือได้ว่าเป็นปฏิกิริยาที่ประสบความสำเร็จ.

แต่หน่วยการแสดงนั้นเป็นอย่างไร มวลของรีเอเจนต์นั่นคือปริมาณกรัมหรือโมล ดังนั้นเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการทำงานของปฏิกิริยาจะต้องรู้ว่ากรัมหรือโมลที่สามารถได้รับในทางทฤษฎี.

ข้างต้นสามารถชี้แจงได้ด้วยตัวอย่างง่ายๆ.

ตัวอย่าง

ตัวอย่างที่ 1

พิจารณาปฏิกิริยาทางเคมีต่อไปนี้:

A + B => C

1gA + 3gB => 4gC

สมการทางเคมีมีค่าสัมประสิทธิ์ stoichiometric เท่านั้น 1 สำหรับสปีชีส์ A, B และ C เนื่องจากเป็นสปีชี่สมมุติฐานมวลโมเลกุลหรืออะตอมมิกของพวกมันยังไม่เป็นที่รู้จัก นั่นคือสำหรับทุกกรัมของ A, 3 กรัมของ B ตอบสนองเพื่อให้ 4 กรัมของ C (อนุรักษ์มวล).

ดังนั้นผลผลิตทางทฤษฎีสำหรับปฏิกิริยานี้คือ 4 กรัมของ C เมื่อ 1 กรัมของ A ทำปฏิกิริยากับ 3G ของ B.

ถ้าคุณมี 9 กรัมของ A จะให้ผลทางทฤษฎีเป็นอย่างไร ในการคำนวณมันก็เพียงพอที่จะใช้ปัจจัยการแปลงที่เกี่ยวข้องกับ A และ C:

(9g A) ∙ (4g C / 1g A) = 36g C

โปรดทราบว่าในขณะนี้อัตราผลตอบแทนทางทฤษฎีคือ 36 g C แทนที่จะเป็น 4 g C เนื่องจากมันมี reagent มากกว่า.

สองวิธี: สองอัตราผลตอบแทน

สำหรับปฏิกิริยาข้างต้นมีสองวิธีในการสร้าง C. สมมติว่าทั้งสองเริ่มต้นด้วย 9 กรัมของ A แต่ละวิธีมีประสิทธิภาพที่แท้จริงของตัวเอง วิธีคลาสสิกช่วยให้ได้รับ 23 กรัมของ C ภายในระยะเวลา 1 ชั่วโมง; ในขณะที่ใช้วิธีการที่ทันสมัยคุณจะได้รับ 29 กรัม C ในครึ่งชั่วโมง.

% ผลตอบแทนสำหรับแต่ละวิธีคืออะไร? เมื่อทราบว่าอัตราผลตอบแทนทางทฤษฎีคือ 36 กรัมของ C เราจะใช้สูตรทั่วไปต่อไป:

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

63.8%

ประสิทธิภาพ% (วิธีการที่ทันสมัย) = (29g C / 36g C) ∙ 100%

80.5%

เหตุผลวิธีการที่ทันสมัยในการกำเนิด C มากขึ้นจาก 9 กรัมของ A (บวก 27 กรัมของ B) มีอัตราผลตอบแทน 80.5% สูงกว่าผลผลิตของวิธีคลาสสิก 63.8%.

วิธีใดในสองวิธีในการเลือก เมื่อดูอย่างรวดเร็ววิธีการที่ทันสมัยดูเหมือนว่าจะใช้งานได้ดีกว่าวิธีแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตามด้านเศรษฐกิจและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้นจากการตัดสินใจ.

ตัวอย่างที่ 2

พิจารณาปฏิกิริยาคายความร้อนและปฏิกิริยาที่มีแนวโน้มว่าเป็นแหล่งพลังงาน:

H₂ + O₂ => H₂O

โปรดสังเกตว่าในตัวอย่างก่อนหน้านี้ค่าสัมประสิทธิ์ stoichiometric ของ H₂ และ O₂ พวกเขาคือ 1 คุณมี 70 กรัมของเอช₂ ผสมกับ 150 กรัมของ O₂, สิ่งที่จะเป็นผลผลิตทางทฤษฎีของปฏิกิริยา? ผลตอบแทนคืออะไรถ้าคุณได้ 10 และ 90 กรัมของเอช₂O?

นี่มันไม่แน่ใจว่ามีกี่กรัมของ H₂ หรือ O₂ พวกเขาตอบสนอง; ดังนั้นจะต้องพิจารณาโมลของแต่ละสายพันธุ์ในครั้งนี้:

โมลเดอเอช₂= (70g) ∙ (mol H₂/ 2 กรัม)

35 โมล

โมลเดอโอ₂= (150g) ∙ (mol O₂/ 32g)

4.69 โมล

รีเอเจนต์ที่ จำกัด คือออกซิเจนเนื่องจาก 1mol ของ H₂ ทำปฏิกิริยากับ 1mol ของ O₂; และมีโมลของ 4.69 โมล₂, จากนั้น 4.69 โมลของ H จะทำปฏิกิริยา₂. นอกจากนี้โมลของ H₂หรือเกิดขึ้นจะเท่ากับ 4.69 ดังนั้นผลผลิตทางทฤษฎีคือ 4.69 โมลหรือ 84.42 กรัมของเอช₂O (คูณโมลด้วยมวลโมเลกุลของน้ำ).

ขาดออกซิเจนและสิ่งสกปรกส่วนเกิน

ถ้าผลิต 10g of H₂หรือประสิทธิภาพจะเป็น:

ประสิทธิภาพ% = (10g H₂O / 84.42g ชั่วโมง₂O) ∙ 100%

11.84%

ซึ่งต่ำเพราะไฮโดรเจนจำนวนมากผสมกับออกซิเจนน้อยมาก.

และถ้าในอีกทางหนึ่ง 90g มีการผลิต₂หรือตอนนี้ประสิทธิภาพจะเป็น:

ประสิทธิภาพ% = (90g H₂O / 84.42g ชั่วโมง₂O) ∙ 100%

106.60%

ไม่มีประสิทธิภาพใดเกินกว่าทฤษฏีดังนั้นค่าใด ๆ ที่สูงกว่า 100% จึงเป็นสิ่งผิดปกติ อย่างไรก็ตามอาจเกิดจากสาเหตุดังต่อไปนี้:

-ผลิตภัณฑ์สะสมผลิตภัณฑ์อื่น ๆ ที่เกิดจากปฏิกิริยาด้านข้างหรือรอง.

-ผลิตภัณฑ์ถูกปนเปื้อนระหว่างหรือในตอนท้ายของปฏิกิริยา.

ในกรณีของปฏิกิริยาของตัวอย่างนี้สาเหตุแรกไม่น่าเป็นไปได้เนื่องจากไม่มีผลิตภัณฑ์อื่นนอกเหนือจากน้ำ สาเหตุที่สองหากคุณได้รับน้ำ 90 กรัมภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวแสดงว่ามีรายการของสารประกอบก๊าซอื่น ๆ (เช่น CO₂ และไม่มี₂) ที่ชั่งน้ำหนักผิดพร้อมกับน้ำ.

การอ้างอิง

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley (2008) เคมี (8th ed.) CENGAGE การเรียนรู้หน้า 97.
2. Helmenstine, Todd (15 กุมภาพันธ์ 2018) วิธีการคำนวณผลผลิตทางทฤษฎีของปฏิกิริยาทางเคมี ดึงมาจาก: thoughtco.com
3. Chieh C. (13 มิถุนายน 2017) ทฤษฎีและผลตอบแทนจริง เคมีเคมี ดึงมาจาก: chem.libretexts.org
4. Khan Academy (2018) การ จำกัด น้ำยาและเปอร์เซ็นต์การผลิต สืบค้นจาก: khanacademy.org
5. เคมีเบื้องต้น. ( N.d. ) อัตราผลตอบแทน สืบค้นจาก: saylordotorg.github.io
6. หลักสูตรเบื้องต้นทางเคมีทั่วไป ( N.d. ) การ จำกัด น้ำยาและประสิทธิภาพ มหาวิทยาลัยบายาโดลิด สืบค้นจาก: eis.uva.es