Wydajność reakcji chemicznych – wprowadzenie i zadania

Chemia to nauka o przemianach materii. Jednym z ważnych zagadnień, które pojawia się w trakcie nauki chemii, jest wydajność reakcji chemicznych. To pojęcie determinuje rzeczywistą ilość produktu danego procesu.

Czym jest wydajność reakcji?

Wydajność reakcji (W) to stosunek ilości produktu otrzymanego w doświadczeniu (wydajność rzeczywista) do ilości produktu przewidzianego obliczeniami stechiometrycznymi (wydajność teoretyczna). Najczęściej podaje się ją w procentach. Przykładowy wzór określający wydajność:

Dlaczego wydajność reakcji zazwyczaj nie wynosi 100%?

W praktyce praktycznie nie udaje się uzyskać pełnej ilości produktów, jaka wynikałaby z obliczeń stechiometrycznych. Przyczyny mogą być różne:

• część reagentów może nie zareagować,
• reakcje uboczne mogą „zabrać” część substancji,
• straty mogą powstać podczas izolacji produktu, np. w procesach filtracji, przesączania czy suszenia.

Wydajność całkowita ciągu reakcyjnego

W procesach technologicznych często spotykamy się nie z jedną, lecz z kilkoma następującymi po sobie reakcjami, które prowadzą do otrzymania produktu końcowego. W takim przypadku mówimy o ciągu reakcyjnym. Wydajność każdej z tych reakcji wpływa na ilość końcowego produktu – nawet jeśli poszczególne wydajności są wysokie, to ich efekt końcowy będzie znacznie niższy.

Wydajność całkowita ciągu reakcyjnego jest iloczynem wydajności poszczególnych etapów.

W_całkowita = W₁ ∙ W₂ ∙ W₃ ∙ 100%

Oznacza to, że rozważając reakcję dwuetapową w której pierwszy etap zachodzi z wydajnością 80%, a drugi z wydajnością 70%, to produkt końcowy uzyskamy z wydajnością:

W_całkowita = W₁ ∙ W₂ ∙ 100% = 0,8 ∙ 0,7 ∙ 100% = 56%

Czynnik limitujący

W rzeczywistych reakcjach chemicznych często zdarza się, że jeden z reagentów zostaje zużyty całkowicie (jest użyty w niedomiarze względem pozostałych reagentów), a pozostałe substraty pozostają w nadmiarze. Ten składnik, który zużywa się jako pierwszy, nazywamy czynnikiem limitującym (ograniczającym). To właśnie on określa maksymalną ilość produktu, jaką można uzyskać w danej reakcji.

Aby znaleźć czynnik limitujący, porównuje się ilości molowe reagentów w stosunku wynikającym ze zbilansowanego równania reakcji. Ten, który występuje w mniejszej ilości niż wymagana stechiometrycznie, jest czynnikiem ograniczającym.

Przykład:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Jeśli mamy 4 mole H₂ i 3 mole O₂, to:

• na przereagowanie 4 moli H₂ potrzeba 2 moli O₂,
• mamy 3 mole O₂, więc tlenu został użyty w nadmiarze,
• czynnikiem limitującym jest wodór, bo przereaguje w całości jako pierwszy i to on ograniczy ilość powstającej wody.

Czystość reagentów a wydajność reakcji

W obliczeniach zakładamy zazwyczaj, że użyte substancje są czyste chemicznie, czyli zawierają tylko dany związek. W praktyce jednak reagenty mogą zawierać zanieczyszczenia — np. wodę, tlenki lub inne domieszki.

Jeżeli reagent nie jest całkowicie czysty, faktyczna ilość substancji czynnej, która bierze udział w reakcji, jest mniejsza niż wynikałoby to z jego masy. W konsekwencji:

• reakcja może wydawać się mieć niższą wydajność,

Na etykietach odczynników często podaje się czystość procentową reagenta, np. „kwas siarkowy 96%”. Oznacza to, że w 100 g tej substancji znajduje się 96 g czystego H₂SO₄ i 4 g domieszek (np. wody).

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Kwas salicylowy jest stosowany m.in. do produkcji aspiryny. Można go otrzymać w reakcji fenolanu sodu z tlenkiem węgla(IV) (reakcja Kolbego-Schmitta), a następnie zakwaszeniu środowiska. Sumaryczne równanie (uproszczone) można zapisać jako:

C₆H₅ONa + CO₂ + H⁺ → C₇H₆O₃ (kwas salicylowy) + Na⁺

Laboratorium farmaceutyczne potrzebuje 276 kg kwasu salicylowego. Wiadomo, że wydajność procesu jego syntezy wynosi 70%.

Oblicz, ile kilogramów fenolanu sodu, o stopniu czystości 95%, należy użyć do reakcji, aby otrzymać wymaganą ilość kwasu salicylowego, zakładając, że pozostałe reagenty są użyte w nadmiarze. Wynik zaokrąglij do jedności. Jako masy molowe przyjmij: M_C₆H₅ONa = 116,0 g/mol, M_C₇H₆O₃ = 138,0 g/mol

Rozwiązanie:

116 g/0,95 fenolanu sodu – 0,7 ∙ 138 g kwasu salicylowego

x – 276 000 g

x = 348 872 g = 349 kg

Zadanie 2.

Wodór reaguje z chlorem, tworząc chlorowodór, zgodnie z równaniem:

H₂(g) + Cl₂ (g) → 2HCl (g)

W zamkniętym reaktorze zmieszano 50 dm³ wodoru i 60 dm³ chloru (warunki normalne) Reakcja przebiegła z wydajnością 80% względem reagenta limitującego.

Oblicz objętość chlorowodoru, jaka powstała w tym procesie oraz łączną objętość gazów w mieszaninie poreakcyjnej. Załóż, że gazy w mieszaninie poreakcyjnej są gazami idealnymi.

Rozwiązanie:

 1 mol H₂  – 1 mol Cl₂

Czynnikiem limitującym jest wodór, w reakcji powstanie więc:

22,4 dm³ wodoru – 2 ∙ 22,4 dm³ Cl

50 dm³ wodoru ∙ 0,8 – x

x = 80 dm³ HCl

Łączna objętość gazów w mieszaninie poreakcyjnej:

V_c = V_H2 + V_Cl2 + V_HCl = 10 dm³ + 10 dm³ + 80 dm³ = 100 dm³

Zadanie 3.

Anilina w reakcji z kwasem azotowym(III) (generowanym in situ w reakcji NaNO₂ + HCl), tworzy nietrwałą sól diazoniową. Sól ta w kontakcie z wodą prowadzi do powstania fenolu oraz wydzielenia się cząsteczki azotu.

• Uzupełnij poniższy schemat reakcji głównymi produktami danej reakcji:

• Jaka objętość gazu/gazów w przeliczeniu na warunki normalne oraz wody wydzieli się w trakcie takiego ciągu reakcyjnego, jeżeli tym przemianom poddaliśmy 1 mol benzenu, a każdy z tych procesów zachodzi z wydajnością 70%? Przemianę C w D należy traktować jako jeden etap biegnący z wydajnością 70%. Przyjmij, że powstająca woda ma ciekły stan skupienia, a jej gęstość wynosi 1g/cm³.

Rozwiązanie:

AtA: uwzględniając stechiometrię i wydajność tej reakcji: z jednego mola benzenu wydzieli się 0,7 mol H₂O

AtB: uwzględniając stechiometrię i wydajność tej reakcji: z jednego mola substratu wydzieli się: 2∙0,7∙0,7 (bo dwie reakcje z wydajnością 70%) = 0,98 mol H₂O

AtC: wydzielający się w tym etapie HBr, rozpuści się w roztworze wody bromowej

AtD: uwzględniając stechiometrię i wydajność tej reakcji: z jednego mola substratu wydzieli się: 1∙0,7∙0,7∙0,7∙0,7 = 0,24 mol wody

W ostatnim etapie z jednego mola benzenu wydzieli: 1∙0,7∙0,7∙0,7∙0,7 = 0,24 mol N₂

Czyli w przeliczeniu na warunki normalne:

1 mol – 22,4 dm³

0,24 mol- x

x = 5,4 dm³

sumarycznie wydzieliło się moli wody: 0,7 mol + 0,98 +0,24 mol = 1,92 mol

m = 1,98 mol∙ 18g/mol = 34,6 g => 34,6 cm³ gdyż gęstość wody równa jest 1 g/cm³