If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Pokud používáš webový filtr, ujisti se, že domény: *.kastatic.org and *.kasandbox.org jsou vyloučeny z filtrování.

Hlavní obsah

Kurz: Obecná chemie > Kapitola 6

Lekce 3: Stechiometrie
Přírodní vědy
Obecná chemie
Chemické reakce a stechiometrie
Stechiometrie
© 2024 Khan AcademyPodmínky poskytování služebZásady ochrany osobních údajůZásady používání souborů cookie

Teoretický výtěžek, klíčová složka a přebytek v chemické reakci

Učebna Google
Jak určit, co je klíčová složka v chemické reakci a jak s pomocí stechiometrie spočítat teoretická množství produktu a procentuální výtěžek.

Teoretický výtěžek, klíčová složka a přebytek v chemické reakci

Je to klasická hádanka: Máme pět párků a čtyři rohlíky. Kolik kompletních párků v rohlíku můžeme vyrobit?
Reakce s pěti párky a čtyřmi rohlíky povede ke čtyřem kompletním hotdogům a jednomu zbylému rohlíku. Rohlíky jsou v tomto případě klíčovou složkou a zbývající párek je složkou v přebytku. Čtyři kompletní hotdogy představují teoretický výtěžek.
Vyjdeme-li z toho, že při přípravě hotdogů se kombinují párky a rohlíky v poměru jedna ku jedné, tak bude počet připravených hotdogů omezen počtem rohlíků, které máme. Je to proto, že v jednu chvíli rohlíky dojdou a už nebude do čeho dávat zbývající párky. V této nešťastné situaci bychom mohli rohlíky označit za klíčovou složku, zatímco párky, které nám zbydou, bychom mohli s nadsázkou označit za složku v přebytku.
V chemické reakci je klíčovou složkou ten reaktant, který určuje, kolik produktu může vzniknout. Ostatní výchozí látky se označují jako složky v přebytku, protože po úplném vyčerpání klíčové složky zůstanou ve směsi nezreagované. Maximální množství produktu, které může vzniknout, se nazývá teoretický výtěžek. V případě párků a rohlíků v našem příkladu je teoretický výtěžek čtyři hotdogy, protože máme čtyři rohlíky. Dost už ale bylo o jídle! V následujícím příkladu určíme klíčovou složku, složku v přebytku a vypočítáme teoretický výtěžek pro skutečnou chemickou reakci.
Tip pro řešení úloh: První a nejdůležitější krok pro jakékoliv stechiometrické výpočty – například nalezení klíčové složky nebo teoretického výtěžku – je zapsat a vyčíslit chemickou reakci! Protože stechiometrické výpočty používají poměry založené na stechiometrických koeficientech (to jsou ta čísla před vzorci ve vyčíslené chemické rovnici), odpovědi budou špatně, pokud si rovnici zapomeneme vyčíslit, nebo to uděláme chybně.

Příklad 1: Určení klíčové složky

Co je v následující reakci klíčovou složkou, pokud před reakcí bylo 2,80 g Al a 4,25g Cl2?
2Al(s)+3Cl2(g)→2AlCl3(s)
Nejdříve si zkontrolujme, jestli je naše reakce vyčíslená: máme dva atomy Al a šest atomů Cl na obou stranách (před šipkou a po šipce), takže nám to sedí a můžeme pokračovat! V této úloze známe množství obou reaktantů a chceme zjistit, který bude spotřebován dříve. V prvním kroku vše převedeme na moly a pak použijeme stechiometrický poměr z vyčíslené reakce k tomu, abychom zjistili, co je zde klíčová složka.

Krok č. 1: Převeď vše na moly

Množství Al a Cl2 můžeme převést na moly za použití molekulární hmotnosti:
mol Al=2,80g Al⋅1mol Al26,98g Al=1,04⋅10−1mol Al                (Převod g Al na mol Al.)
mol Cl2=4,25g Cl2⋅1mol Cl270,90g Cl2=5,99⋅10−2mol Cl2         (Převod g Cl2 na mol Cl2.)

Krok č. 2: Pomocí stechiometrického poměru zjisti, co je klíčovou složkou

Když nyní máme známá množství v molech, máme několik různých způsobů, jak zjistit klíčovou složku. Ukážeme si tu tři různé způsoby. Všechny nás dovedou k té stejné odpovědi, můžeš si tedy vybrat tu, která se ti bude líbit nejvíc. Všechny tři způsoby používají stechiometrický poměr, jen trochu jinak.
1. ZPŮSOB: První způsob spočívá v tom že spočítáme skutečný molární poměr reaktantů, a pak porovnáme skutečný poměr vůči stechiometrickému poměru z vyčíslené reakce.
Skutečný poměr=mol Almol Cl2=1,04⋅10−1mol Al5,99⋅10−2mol Cl2=1,74mol Al1 mol Cl2
Skutečný poměr nám řekne, že máme 1,74 mol Al na každý 1 mol Cl2. Dále máme stechiometrický poměr z naší vyčíslené reakce:
Stechiometrický poměr=2mol Al3mol Cl2=0,67mol Al1mol Cl2
To znamená, že potřebujeme alespoň 0,67 mol Al na každý mol Cl2. Protože náš skutečný poměr je větší než náš stechiometrický poměr, máme více Al, než potřebujeme k reakci s moly Cl2. Proto je Cl2 naše klíčová složka a Al je složka v přebytku.
2. ZPŮSOB: Jiná metoda, tak trochu pokus-omyl, jak zjistit klíčovou složku, je, že si vybereš jeden z reaktantů - jedno který — a předstíráš, že je právě on klíčová složka. Pak můžeme spočítat moly další potřebné složky na základě molů naší falešné klíčové složky. Například můžeme předstírat, že klíčová složka je Al, a potřebné množství Cl2 bychom spočítali takto:
moly Cl2=1,04⋅10−1mol Al⋅3mol Cl22mol Al=1,56⋅10−1mol Cl2
Na základě tohoto výpočtu bychom potřebovali 1,56⋅10−1mol Cl2 v případě, že Al je skutečně klíčovou složkou. A protože máme 5,99⋅10−2mol Cl2, což je méně než 1,56⋅10−1mol Cl2, z našeho výpočtu víme, že by nám došlo Cl2, než by plně zreagovalo všechno Al. Víme tedy, že naší klíčovou složkou je Cl2.
3. ZPŮSOB: Třetí metoda používá pojem reakční obrat, pro který používáme zkratku mol-rxn. Jeden reakční obrat je definován jako okamžik, kdy zreaguje počet molů daných koeficienty v naší vyčíslené rovnici. Tato definice může znít poněkud zmatečně, ale snad to na příkladu bude srozumitelnější. U naší reakce bychom řekli, že 1 reakční obrat je, když 2 moly Al reagují se 3 moly Cl2 k produkci 2 molů AlCl3, což můžeme zapsat také takto:
1reakční obrat=2mol Al=3mol Cl2=2mol AlCl3
Výše uvedený vztah můžeme použít k nastavení poměrů k převodu molů všech reaktantů na moly reakce:
1,04⋅10−1mol Al⋅1mol-rxn2mol Al=5,20⋅10−2mol-rxn            (Převod Al na mol-rxn.)
5,99⋅10−2mol Cl2⋅1mol-rxn3mol Cl2=2,00⋅10−2mol-rxn        (Převod mol Cl2 na mol-rxn.)
Čím více reakčních obratů máme, tím vícekrát může k reakci dojít. Tedy bude reaktant s méně reakčními obraty klíčová složka, protože k reakci může dojít s tímto reaktantem méněkrát. I tento způsob nás dovede k výsledku, že Cl2 je naše klíčová složka, protože má 2,00⋅10−2mol-rxn, což je méně než 5,20⋅10−2mol-rxn, jež má Al.

Příklad č. 2: Výpočet teoretického výtěžku

Když teď víme, která složka je klíčová, můžeme dále tuto informaci použít k tomu, abychom zodpověděli následující otázku:
Jaký je teoretický výtěžek AlCl3, jež může reakcí vzniknout, když začneme s 4,5 g Cl2, naší klíčové složky?
K výpočtu teoretického výtěžku můžeme použít moly klíčové složky a stechiometrické poměry z naší vyčíslené reakce. Koeficienty v vyčíslené reakce nám říkají, že na každé 3 moly Cl2, bychom měli vytvořit 2 moly AlCl3. Teoretický výtěžek v molech tedy bude:
Teoretický výtěžek v molech=5,99⋅10−2mol Cl2⋅2mol AlCl33mol Cl2=3,99⋅10−2mol AlCl3
Typicky se předpokládá že teoretický výtěžek bude uveden v jednotkách hmotnosti, můžeme tedy moly AlCl3 převést na gramy za pomoci molekulární hmotnosti:
Teoretický výtěžek v gramech=3,99⋅10−2mol AlCl3⋅133,33g AlCl31mol AlCl3=5,32g AlCl3

Procentuální výtěžek

Teoretický výtěžek je maximální množství produktu, které může z reakce vzniknout a odvíjí se od množství klíčové složky. V praxi však chemici z mnoha důvodů ne vždy dosahují maximálního výtěžku. Při reakcích v laboratorních podmínkách často dochází ke ztrátě produktu během purifikace či izolace. Dokonce se můžeš rozhodnout, že raději přijdeš o 10 % produktu, aby byl výsledný produkt skutečně co nejčistší - místo toho, abys měl produktu víc, ale zato o menší ryzosti.
Pruhovaná zlodějská kočka drží ukradený rohlík.
A jejda! Zlodějská kočka ukradla rohlík! Skutečný výtěžek tak bude tři celé hotdogy. Pokud byl náš teoretický výtěžek 4 celé hotdogy, jaký je náš procentuální výtěžek?
Navzdory tomu, jak hezky a čistě naše vyčíslená reakce působí, reaktanty mohou reagovat i nepředvídatelnými a nežádoucími způsoby - například může dojít k úplně jiné reakci, kterou můžeme nazývat vedlejší reakce, a vzniknou produkty, které jsme nechtěli. Tvůj skutečný výtěžek se může lišit podle faktorů jako je relativní stabilita reaktantů a produktů, čistota použitých chemických látek, vlhkost vzduchu ten který den. Někdy se může dokonce stát, že po reakci budeš mít to, co na začátku a žádné produkty. Možné je všechno!
Vzhledem k tomu, že chemici vědí, že skutečný výtěžek může být nižší než teoretický výtěžek, skutečný výtěžek určujeme pomocí procentuálního výtěžku, který nám říká, kolik procent teoretického výtěžku jsme získali. Informace o tomto poměru může být velmi užitečná pro ostatní lidi, kteří se o danou reakci budou pokoušet po tobě. Procentuální výtěžek se určuje pomocí následující rovnice:
procentuální výtěžek=skutečný výtěžekteoretický výtěžek⋅100%
Vzhledem k tomu, že procentuální výtěžek je uváděn v procentech, předpokládáme, že jeho hodnota bude mezi 0 a 100. Pokud je tvůj procentuální výtěžek větší než 100, pravděpodobně jsi něco vypočítal/a nebo změřil/a špatně.

Příklad č. 3: Výpočet teoretického a procentuálního výtěžku

Následující reakce se provádí s 1,56g BaCl2, jež je klíčovou složkou. Izolujeme 1,82g našeho požadovaného produktu, AgCl.
BaCl2(aq)+2AgNO3(aq)→2AgCl(s)+Ba(NO3)2(aq)
Jaký je procentuální výtěžek reakce?
Nejdříve zkontrolujeme, jestli je reakce vyčíslená. Vypadá to, že máme stejný počet atomů na obou stranách, a tak se můžeme přesunout k výpočtu teoretického výtěžku.

Krok č. 1. Zjisti počet molů klíčové složky

Počet molů klíčové složky BaCl2 vypočítáme pomocí molekulární hmotnosti:
1,56g BaCl2⋅1mol BaCl2208,23g BaCl2=7,49⋅10−3mol BaCl2

Krok č. 2: Výpočet molů produktu

To, kolik molů AgCl můžeme očekávat, spočítáme pomocí stechiometrického faktoru z vyčíslené rovnice. Vyčíslená rovnice nám říká, že očekáváme 2 moly AgCl na každý 1 mol BaCl2:
7,49⋅10−3mol BaCl2⋅2mol AgCl1mol BaCl2=1,50⋅10−2mol AgCl

3. krok: Převeď moly produktu na gramy.

Moly AgCl můžeme převést na hmotnost v gramech, a to za pomoci molekulární hmotnosti, čímž získáme teoretický výtěžek v gramech:
1,50⋅10−2mol AgCl⋅143,32g AgCl1mol AgCl=2,15g AgCl
Teoretický a skutečný výtěžek můžeme použít k výpočtu procentuálního výtěžku následující rovnicí:
procentuální výtěžek=skutečný výtěžekteoretický výtěžek⋅100%=1,82g AgCl2,15g AgCl⋅100%=84,6%výtěžek

Shrnutí

Klíčová složka je reaktant, který se při reakci spotřebuje jako první, a tak určuje, kolik produktu může být vytvořeno. Klíčovou složku zjistíme použitím stechiometrického poměru z vyčíslené chemické reakce a jedné z mnoha šikovných metod popsaných v příkladu č. 1.
Jakmile známe klíčovou složku, můžeme spočítat maximální možné množství produktu - tedy teoretický výtěžek. Jelikož je skutečný výtěžek mnohdy nižší než teoretický výtěžek, chemici vypočítávají též procentuální výtěžek za použití poměru mezi experimentálním a teoretickým výtěžkem.

Chceš se zapojit do diskuze?

Přihlášení
Zatím žádné příspěvky.
Umíš anglicky? Kliknutím zobrazíš diskuzi anglické verze Khan Academy.