Что такое выход в химии

27.10.202314.04.2022 admin 0 Comments

Урок 14. Выход продукта реакции

В прошлом уроке мы научились, как правильно составлять полные уравнения химических реакций, которые используются главным образом для расчета ожидаемого выхода (количества продуктов) реакции и для определения того, останется ли в избытке какой-либо из реагентов после израсходования других реагентов. В уроке 14 «Выход продукта реакции» мы только и будем, что вычислять количество продукта реакции с помощью вышеупомянутых полных химических уравнений. Меньше слов — больше дела! Переходим сразу к разбору задач на выход продукта реакции.

Задачи на выход продукта реакции

Для начала составим полное уравнение реакции образования C₆H₆ из С и H₂:

Готово! Для тех кто забыл напоминаю, что вещества в левой части химического уравнения называются реагентами, а в правой части – продуктами. В нашем случае реагентами будут углерод C и водород H, а бензол C₆H₆ является продуктом реакции. Определим число молей углерода, вступающих в реакцию. По условию задачи в реакции участвует 100 г углерода, а из таблицы Менделеева нам известно, что масса одного моля углерода составляет 12,011 г/моль. Следовательно, чтобы найти число молей в 100 г углерода, следует:

Еще раз взгляните на полное уравнение реакции, обращая свое внимание на коэффициенты перед C и H₂. Нетрудно заметить, что число молей водорода в реакции участвует в два раза меньше, чем число молей углерода. Поэтому делим 8,326 на 2 и получаем 4,163 моля H₂, которые нам понадобятся для осуществления реакции. А теперь вычислим массу 4,163 молей H₂:

Находим молярную массу бензола C₆H₆:

Из уравнения реакции следует, что количество молей бензола в 6 раз меньше, чем углерода, т.е 8,326/6 = 1,388 моля C₆H₆. Следовательно, масса образующегося бензола равно:

Можно убедиться в правильности наших вычислений, сложив полученные массы реагентов: 100,0 г углерода + 8,4 г водорода = 108,4 г бензола. Закон сохранения массы соблюдается, значит мы вычислили количество продукта реакции верно.

Пример 2. Для получения сульфида серебра Ag₂S, химичка дала 10,00 г серебра и 1,00 г серы. Сколько граммов Ag₂S можно получить в ходе реакции? Какое из исходных веществ останется в избытке и в каком количестве?

Составим полное уравнение реакции, а под ним запишем соответствующие массы реагентов и продукта, пользуясь молярными массами:

Далее определяем необходимое количество S для реакции с 10,00 г Ag. Для этого сначала вычисляем сколько серы прореагирует с 1 г серебра:

Теперь вычисляем сколько S вступит в реакцию с 10 г Ag:

Но химичка дала нам лишь 1,00 г серы, а значит не все имеющееся серебро прореагирует. Тогда попробуем подойти к задаче с другой стороны: можно сказать, что количество серебра, необходимое для полной реакции с 1,00 г серы, должно быть равно:

Так как на реакцию с 1 г S требуется лишь 6,73 г Ag₂S из 10 г имеющихся, то 3,27 г Ag останется непрореагировавшим. Теперь можно ответить и на вопрос, какое количество Ag₂S образуется в итоге:

Вы наверняка отметили, что задача была решена не стандартным способом, как в примере 1. Для решения этого примера использовался метод весовых отношений. Пользуясь им можно быстро решать подобные задачи, но проще запутаться, если вы не абсолютно уверены в своих действиях.

А теперь рассмотрим решение этой задачи обычным методом, основанным на использовании молей:

Сперва найдем число молей Ag и S, имеющихся в наличии:

Хорошо! Поскольку в уравнении реакции указано, что на 1 моль S расходуется 2 моля Ag, то умножим 0,0312×2 и получим 0,0624 моля Ag, а 0,0303 моля Ag останутся неиспользованными. Таким образом, 0,0312 моля серы должно прореагировать с 0,0624 моля серебра с образованием 0,0312 моля Ag₂S. Переведем эти количества молей снова в граммы:

Ответ такой же, как в методе весовых отношений. Метод молей трудоемок, но более надежнее. Советую пользоваться именно методом молей, пока вы полностью не освоите химические расчеты.

Надеюсь из урока 14 «Выход продукта реакции» вы усвоили для себя насколько просто рассчитать выход реакции. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Источник

Выход реакции. Задачи на выход

Задачи на выход продукта химической реакции. Как решать задачи на выход продукта реакции. Что такое выход продукта химической реакции. Теоретическое и практическое количество продукта химической реакции.

При решении задач на расчеты по уравнениям химических реакций мы принимаем, что в ходе реакции образуется точно рассчитанное количество продукта, исходя из мольного соотношения реагентов и продуктов. Количество продукта реакции, которое должно получится из реагентов согласно стехиометрическим расчетам — это теоретическое количество (масса, объем) или теоретический выход продукта реакции n_теор.

Однако на практике это соотношение не выполняется, и в большинстве случаев образуется меньшее количество продукта реакции, чем было рассчитано — практическое количество (масса, объем) или практический выход продукта реакции n_пр.

Практический и теоретический выход не совпадают в силу разных причин — неэффективные соударения реагирующих частиц, побочные процессы, потери в ходе проведения реакции и т.д.

Обратите внимание! Понятия теоретического или практического количества реагента не существует. Ведь мы всегда берем определенное количество реагентов. А вот вступать в реакцию не полностью реагенты могут.

Массовая (мольная, объемная) доля выхода продукта реакции η или ω — это соотношение массы (количества вещества, объема) продукта, которая практически получена в ходе реакции, m_пр., к массе (количеству, объему) продукта, которая рассчитана теоретически, m_теор.:

Массовую (мольную, объемную) долю выхода продукта реакции можно выражать в долях, а можно в процентах:

Рассмотрим несколько задач на определение и использование выхода продукта реакции.

1. Какое количество вещества аммиака получится при действии избытка раствора гидроксида натрия на 500 г сульфата аммония, если выход в данной реакции 70%?

Решение.

Количество вещества сульфата аммония:

Теоретическое количество аммиака:

Зная мольную долю выхода продукта реакции, определим практический выход аммиака:

Ответ: n_пр.(NH₃) = 5,3 моль

2. При хлорировании метана объемом 112 л (н. у.) получен дихлорметан массой 255 г. Определите долю выхода дихлорметана.

Решение.

Количество вещества метана:

Теоретическое количество дихлорметана:

Масса дихлорметана, которая приведена в условии задачи — это практический выход дихлорметана.

Доля выхода дихлорметана:

η = m_пр./m_теор. = 255/425 = 0,6 или 60%

Ответ: выход продукта реакции 60%

3. Определите массу оксида меди (II), которая потребуется для получения 500 г нитрата меди, если доля выхода в реакции взаимодействия оксида меди с HNO₃ составляет 92%?

4. Определите объем (н.у., л) аммиака, который получится при действии избытка раствора гидроксида натрия на 48 г карбоната аммония, если выход в реакции составляет 70%?

5. Определите массу соли, г, которая образуется при растворении в избытке азотной кислоты 80 г оксида меди (II), если выход в реакции составляет 80%?

6. При термическом разложении 1700 г нитрата натрия было получено 174,4 л кислорода (н.у.). Определите массовую долю выхода в этой реакции.

7. Рассчитайте массу оксида магния, которая образуется при разложении гидроксида магния массой 50 г, если реакция разложений прошла с выходом 95,5%.

8. Какая масса бензола (кг) может получиться из 369,6 м 3 (н.у.) ацетилена, если доля выхода бензола составила 65% от теоретически возможного?

9. Определите массу спирта, полученного при гидратации 40 л пропилена (н.у.), если доля выхода продукта реакции составляет 65% от теоретически возможного.

10. Определите долю выхода в реакции каталитического окисления аммиака кислородом, если при окислении 10 моль аммиака образуется 200 л оксида азота (II) при н.у.?

11. Пары брома объемом 20 л смешали с избытком водорода, в результате из смеси выделили 32 л бромоводорода. Определите долю выхода, %, если объемы газов измерялись при одинаковых условиях.

12. Оксид кальция массой 0,64 кг нагрели до 1200° С с достаточной массой оксида кремния (IV). Масса образовавшегося силиката кальция оказалась равной 1,024 кг. Определите выход (%) реакции соединения.

13. Из 36 г метанола было получено 24 г диметилового эфира. Рассчитайте выход реакции дегидратации

14. Углекислый газ объемом 6 л (н.у.) пропустили над раскалённым углем, продукт реакции пропустили через избыток известковой воды, после чего собрали 7,2 л (н.у.) газа. Определите степень превращения углекислого газа, %.

15. Определите массу, г нитрата аммония, которая содержалась в растворе, если при действии на этот раствор избытка гидроксида кальция выделилось 6 г аммиака. Реакция прошла с выходом 88,2 %.

16. При термическом разложении не загрязненного примесями карбоната кальция образовалось 20 г оксида кальция. Известно, что реакция прошла с выходом 85%. Вычислите массу карбоната кальция, взятого для проведения реакции разложений и объем (н.у.) образовавшегося углекислого газа.

17. Какой объем пропана (н.у.) потребуется для получения 42 г пропена, если доля выхода продуктов реакции составляет 60% от теоретически возможного?

18. При бромировании пентена-2 массой 8,4 г получен 2,3-дибромпентан массой 24,3 г. Определите долю выхода продукта реакции.

19. Из 69 г этанола получен бутадиен-1,3 массой 36,85 г. Определите массовую долю выхода продукта реакции.

20. При бромировании 5,4 г дивинила избытком брома образуется 28,2 г 1,2,3,4-тетрабромбутана. Определите выход продукта реакции.

21. Определите, какая масса 2-метилбутана необходима для получения 46,24 г изопрена, если доля выхода продукта реакции составляет 85%?

22. Определ ите объем метана, который потребуется для получения 63 л ацетилена (н.у.), если доля выхода продуктов реакции составляет 70% от теоретически возможного.

23. Определите, какую массу уксусного альдегида можно получить по реакции Кучерова из 11,2 л ацетилена (н. у.), если доля выхода продуктов реакции составляет 80% от теоретически возможного?

24. При действии избытка воды на 48 г технического карбида кальция, содержащего 10% примесей, образовался ацетилен объемом 10,08 л (н.у.). Определите долю выхода продукта реакции.

25. Определите массу технического карбида алюминия, содержащего 7% примесей, необходимого для получения 56 л метана (н.у.), если доля выхода продуктов реакции составляет 70% от теоретически возможного.

26. Из 179,2 л бутана (н.у.) с объемной долей примесей 25% двухстадийным синтезом получен бутанол-2 массой 159,84 г. Доли выхода продуктов на первой и второй стадиях одинаковы. Определите доли выхода продуктов реакций.

27. Циклогексан массой 16 г сожгли в избытке кислорода и полученный углекислый газ пропустили через избыток раствора гидроксида кальция, в результате чего выпал осадок массой 90 г. Определите массовую долю негорючих примесей в циклогексане, если доля выхода продуктов горения составляет 90% от теоретически возможного.

28. При нитровании 46,8 г бензола получен нитробензол массой 66,42 г. Определите выход продуктов реакции.

Источник

Расчет практического выхода продукта реакции в химии

Выход продукта химической реакции

Выход продукта химической реакции — масса продукта, образовавшегося в результате реакции.

Если эти два показателя равны, то считают, что реакция идет с количественным выходом. Такую реакцию называют стехиометрической.

Но большинство реакции на практике не дают количественного выхода по следующим причинам:

Поэтому для определения эффективности реакции было введено понятие:

Для реакции с количественным выходом относительный выход равен 100%.

Выход продукта реакции определяется двумя параметрами: селективностью и степенью превращения.

Понятие селективности и материального баланса

Селективность — критерий, с помощью которого в химии определяют отношение массы определенного (целевого) продукта к общей массе полученных продуктов.

Степень превращения (конверсии) показывает отношение количества исходного реагента (обычно более дорогостоящего) к количеству полученного целевого продукта.

Например, этот критерий позволяет оценить, какое количество метана CH4 превратилось в угарный газ CO при конверсии водяным паром. Может быть выражена не только через количество вещества, но и через любые пропорциональные ему величины: массу, объем.

Для обеспечения максимального выхода целевого продукта недостаточно только высокой степени конверсии (значительное количество вещества может вступить в реакцию, но не участвовать в образовании целевого продукта) или хорошей селективности, выход продукта определяется совокупностью этих факторов.

Например, N0 моль исходного вещества А вступило в реакцию, из них прореагировало Nx моль со следующим распределением:

Тогда селективность S реакции по целевому продукту B составит:

Степень превращения реагента A для данного примера будет равна соотношению между числом моль прореагировавшего вещества A к общему числу моль, которые были затрачены на реакцию:

Выход продукта ηB в этом примере будет равен соотношению между числом моль реагента A, пошедшего на образование целевого продукта, к числу моль, которые были затрачены на реакцию:

Таким образом, между выходом продукта B, селективностью процесса относительно образования B и степенью превращения исходного реагента A существует взаимосвязь:

Селективность подразделяют на:

Селективность важна для катализаторов, чтобы избирательно увеличивать скорость целевой реакции при наличии нескольких побочных. Высокой селективностью отличаются ферменты (95 — 100%), для гетерогенных катализаторов этот показатель достигает 70%. Гомогенные занимают промежуточное значение.

Выход, степень превращения и селективность — величины безразмерные, учитываются при составлении материального баланса процесса.

Материальный баланс (баланс масс) выводится на основании закона сохранения массы вещества.

Для химических процессов можно сформулировать его так: суммарная масса исходных веществ в начале реакции должна быть равна суммарной массе всех полученных продуктов (целевых и побочных), включая неиспользованные реагенты и растворители, в конце реакции.

Материальный баланс составляется с расчетом расхода реагентов и полученных продуктов на единицу основного продукта. Поскольку на производство вещества поступают в виде смесей, при составлении материального баланса учитывается масса всех компонентов отдельно для твердой, жидкой и газовой фаз. Для процессов, которые идут в несколько стадий, баланс составляется для каждой стадии отдельно.

Материальный баланс, как и выход продукта, может быть:

Как увеличить выход продукта реакции, способы расчета, формулы

Фактический выход конкретного химического процесса можно увеличивать при регулировании следующих факторов:

Для каждой химической реакции, лежащей в основе промышленного производства, необходимо эффективно использовать ресурсы, максимально повысить выход целевого продукта, но при этом он должен быть надлежащего качества и в достаточном количестве. Для это обязательно рассчитывают выход продукта.

Расчет выхода продукта

Например, если процент выхода равен ω=80%, это означает, что количество полученного продукта составляет 80% от теоретически возможного.

Выход продукта реакции можно выразить также через коэффициент, обозначается буквой η (эта):

Как рассчитать теоретический выход продукта реакции, примеры задач

Алгоритм расчета теоретического выхода ηтеор приведен на примере решения следующей задачи:

При взаимодействии 9,84 г оксида железа (III) и 12 г монооксида углерода СО образовались железо и углекислый газ. Рассчитайте теоретический выход (в молях и граммах) железа.

1. Записать уравнение химической реакции:

2. Расставить коэффициенты так, чтобы в обеих частях уравнения количество атомов каждого элемента было одинаковым:

3. Вычислить молярные массы реагентов и целевого продукта (для взятого примера — Fe). Из таблицы Менделеева или справочника узнать атомные массы Ar всех составляющих элементов и посчитать молярные массы М 1 моля каждого исходного вещества и целевого продукта:

4. Найти количество вещества ν каждого реагента:

Если в условии задачи указана масса только одного реагента, то он считается ключевым, и все дальнейшие расчеты выполняются по нему; ν второго исходного вещества вычислять не нужно (пункт 5 пропускается).

5. Для определения ключевого компонента — реагента, который расходуется быстрее остальных, следует определить продолжительность реакции и теоретический выход:

Это говорит о том, что количество используемого для реакции CO в 7 раз больше, чем количество Fe2O3;

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2↑.

На одну молекулу Fe2O3 должно приходится 3 молекулы CO.

Можно сделать заключение, что CO взят в избытке и расчет следует вести по Fe2O3, который является ключевым компонентом.

По закону кратных соотношений, чтобы найти теоретическое количество целевого продукта νтеор, нужно количество расчетного компонента поделить на коэффициент при нем и умножить на коэффициент при целевом продукте:

νтеор= 0,0615 моль :1 × 2= 0,123 моль — это и есть теоретический выход продукта.

7. Масса продукта (Fe), соответствующая данному количеству вещества, будет равна:

Если в задаче требуется рассчитать теоретический выход одного или нескольких побочных продуктов, то для каждого из них вычисляется молярная масса (пункт 3), а затем последовательность действий повторяется с 6 пункта.

На практике также важен расчет фактического выхода продукта ηпракт или массовой доли выхода продукта ω в %.

Известно: масса реагента (одного или нескольких) и масса продукта.

Нужно найти: практический выход ηпракт или массовую (объемную) долю ω в % одного или нескольких продуктов реакции.

Пример. При взаимодействии 6,9 г натрия с 100 г воды получили 3 л водорода (н.у.). Вычислите объёмную долю выхода газа (в %).

1. Записать уравнение реакции: Na+ H2O → NaOН + H2↑.

2. Расставить коэффициенты: 2Na+ 2H2O → 2NaOН + H2↑.

3. Вычислить молярные массы реагентов и целевого продукта:

Так как нужно узнать объемную долю выхода продукта, то вместо M(H2) берется значение молярного объема Vm(H2)= 22,4 л/моль (по закону Авогадро, 1 моль любого газа (н.у) занимает объем 22,4 л).

4. Вычислить количество вещества для реагентов:

5. Определить ключевой компонент:

6. Чтобы найти теоретическое количество целевого продукта νтеор, нужно количество ключевого компонента поделить на коэффициент при нем и умножить на коэффициент при целевом продукте:

Известно: Масса реагента и практический выход продукта.

Нужно найти: Массу продукта реакции.

Пример. Какой объем аммиака в литрах (н.у.) можно получить при взаимодействии 13,4 моль водорода с азотом, если практический выход η(NH3)=0,43?

Пункты 3 и 4 не нужны, так как в условии уже указано количество вещества реагента:

Поскольку дано количество вещества только одного реагента, то расчет ведется по нему. Пункт 5 пропускаем.

νтеор(NН3)=13,4:3×2= 8,9 моль.

8. Фактический объем Vпракт= νпракт × Vm= 3,83 моль × 22,4 л/моль= 85,8 л.

Известно: Масса продукта и его практический выход.

Нужно найти: массу реагента.

Пример. Сколько граммов водорода требуется для реакции с углеродом при получении бензола, C6H6, если теоретический выход 105,3 г, а массовая доля выхода равна 95,8%?

3. Вычислить молярные массы реагентов и целевого продукта:

6. Чтобы найти количество реагента, нужно количество продукта реакции разделить на коэффициент при нем и умножить на коэффициент при реагенте:

7. Масса водорода m(H2)= ν(H2)× M(Н2)= 3,9 моль × 2,016 г/моль= 7,8 г.

Источник