Mục lục bài họcĐang ở d05-b1
Stoichiometry, Limiting Reactant, Yield and Atom Economy
The limiting reactant, done properly
Never compare masses, and never compare moles directly. Convert each reactant to moles, then divide by its coefficient in the balanced equation. The smallest quotient identifies the limiting reactant, and every amount of product is calculated from that reactant alone.
Three different percentages
| Đại lượng | Công thức | Nói về điều gì |
|---|---|---|
| hiệu suất (yield) | $\dfrac{\text{thực tế}}{\text{lý thuyết}}\times100$ | phản ứng chạy được bao nhiêu phần |
| tiết kiệm nguyên tử | $\dfrac{M(\text{sản phẩm cần})}{\sum M(\text{mọi sản phẩm})}\times100$ | bao nhiêu nguyên tử vào đúng chỗ |
| độ tinh khiết | $\dfrac{m(\text{chất chính})}{m(\text{mẫu})}\times100$ | mẫu chứa gì ngoài chất chính |
Atom economy is decided by the equation alone, before any experiment is done: an addition reaction has $100\%$ atom economy because there is only one product. Percentage yield is decided by the experiment. A reaction can therefore have a high yield and a terrible atom economy at the same time.
Titration
Convert the volume of the standard solution to $\text{dm}^3$, multiply by its concentration to get moles, apply the mole ratio from the balanced equation, then divide by the volume of the unknown. The step everyone loses is the mole ratio: $\ce{H2SO4}$ neutralises two moles of $\ce{NaOH}$, not one.
Tìm chất hạn chế cho đúng cách. Đừng bao giờ so khối lượng, và cũng đừng so số mol một cách trực tiếp. Đổi từng chất phản ứng ra số mol, rồi chia cho hệ số của nó trong phương trình đã cân bằng. Thương nhỏ nhất chỉ ra chất hạn chế, và mọi lượng sản phẩm phải tính từ riêng chất đó.
Ba loại phần trăm khác nhau — đừng trộn lẫn.
| Đại lượng | Công thức | Nói về điều gì |
|---|---|---|
| hiệu suất (yield) | $\dfrac{\text{thực tế}}{\text{lý thuyết}}\times100$ | phản ứng chạy được bao nhiêu phần |
| tiết kiệm nguyên tử | $\dfrac{M(\text{sản phẩm cần})}{\sum M(\text{mọi sản phẩm})}\times100$ | bao nhiêu nguyên tử vào đúng chỗ |
| độ tinh khiết | $\dfrac{m(\text{chất chính})}{m(\text{mẫu})}\times100$ | mẫu chứa gì ngoài chất chính |
Tiết kiệm nguyên tử (atom economy) do riêng phương trình quyết định, tính được trước khi làm bất kỳ thí nghiệm nào: phản ứng cộng luôn đạt $100\%$ vì chỉ có một sản phẩm. Còn hiệu suất do thí nghiệm quyết định. Vì thế một phản ứng hoàn toàn có thể vừa có hiệu suất cao vừa có tiết kiệm nguyên tử tệ.
Chuẩn độ. Đổi thể tích dung dịch chuẩn sang $\text{dm}^3$, nhân với nồng độ để ra số mol, áp tỉ lệ mol lấy từ phương trình đã cân bằng, rồi chia cho thể tích dung dịch chưa biết. Bước hay mất điểm nhất là tỉ lệ mol: $\ce{H2SO4}$ trung hoà hai mol $\ce{NaOH}$, không phải một.
Cho $100$ g $\ce{Fe2O3}$ ($M=159{,}7$) phản ứng với $60{,}0$ g $\ce{CO}$ ($M=28{,}01$) theo $\ce{Fe2O3 + 3CO -> 2Fe + 3CO2}$. Thu được $58{,}2$ g sắt. Tìm chất hạn chế và tính hiệu suất.
Bước 1 — đổi ra mol.
$$n(\ce{Fe2O3})=\frac{100}{159{,}7}=0{,}626\ \text{mol};\qquad n(\ce{CO})=\frac{60{,}0}{28{,}01}=2{,}14\ \text{mol}$$Bước 2 — chia cho hệ số. $\dfrac{0{,}626}{1}=0{,}626$ so với $\dfrac{2{,}14}{3}=0{,}714$. Thương nhỏ hơn thuộc về $\ce{Fe2O3}$, nên $\ce{Fe2O3}$ là chất hạn chế.
Kiểm chéo: $0{,}626$ mol $\ce{Fe2O3}$ cần $3\times0{,}626=1{,}88$ mol $\ce{CO}$; thực có $2{,}14$ mol, tức $\ce{CO}$ dư.
Bước 3 — khối lượng lý thuyết. Tỉ lệ $\ce{Fe2O3}:\ce{Fe}=1:2$:
$$n(\ce{Fe})=2\times0{,}626=1{,}25\ \text{mol}\ \Rightarrow\ m=1{,}25\times55{,}85=69{,}9\ \text{g}$$Bước 4 — hiệu suất.
$$\frac{58{,}2}{69{,}9}\times100=83{,}3\%$$Chú ý hiệu suất luôn tính so với lượng lý thuyết của chất hạn chế, không bao giờ so với khối lượng mẫu ban đầu.
Tính tiết kiệm nguyên tử cho hai cách sản xuất etanol: (i) lên men $\ce{C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2}$; (ii) hiđrat hoá etilen $\ce{C2H4 + H2O -> C2H5OH}$.
(i) Lên men. $M(\ce{C6H12O6})=180{,}2$; $M(\ce{C2H5OH})=46{,}08$.
$$\text{AE}=\frac{2\times46{,}08}{180{,}2}\times100=\frac{92{,}16}{180{,}2}\times100=51{,}2\%$$Gần một nửa khối lượng glucozơ đi thẳng vào $\ce{CO2}$ — sản phẩm không mong muốn.
(ii) Hiđrat hoá etilen. Đây là phản ứng cộng: mọi nguyên tử của cả hai chất phản ứng đều nằm trong sản phẩm duy nhất.
$$\text{AE}=\frac{46{,}08}{28{,}05+18{,}02}\times100=\frac{46{,}08}{46{,}07}\times100\approx100\%$$Nhưng đừng vội kết luận cách (ii) tốt hơn. Tiết kiệm nguyên tử chỉ nói về phương trình. Cách (ii) cần etilen từ dầu mỏ, xúc tác axit và áp suất cao, và hiệu suất mỗi lượt chỉ khoảng $5\%$ (phải tuần hoàn). Cách (i) dùng nguyên liệu tái tạo và chạy ở nhiệt độ thường.
Đây đúng là điểm mà đề IB hay hỏi: hai chỉ số đo hai thứ khác nhau, và "xanh" hơn thì phải cân cả hai cùng với nguồn nguyên liệu và năng lượng.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Reactivity 2 — How Much, How Fast and How Far? gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.